1

PODZEMNO UPLINJAVANJE UGLJENA – tematske jedinice UVOD 1. UGLJEN Postanak i geneza ugljena Petrografska građa ugljena Macerali Mikrolitotipovi i litotipovi Rang ugljena Tipovi ugljena Vrste i klasifikacije ugljena Analize ugljena Uporaba ugljena 2. UPLINJAVANJE UGLJENA Suha destilacija

Kemizam uplinjavanja ugljena Devolatilizacija Uplinjavanje ugljenog ostatka Katalitička djelovanja pri uplinjavanju ugljena

Nadzemno uplinjavanje

3. POVEZIVANJE TEHNOLOŠKIH BUŠOTINA Metode povezivanje

Hidraulično frakturiranje Frakturiranje eksplozivom Elektropovezivanje Usmjereno bušenje Reversno izgaranje

4. PARAMETRI UTJECAJNI NA PROVOĐENJE POSTUPKA PUU Prirodni faktori Geološki faktori Hidrogeologija ležišta Kvaliteta ugljena Moćnost (debljina) ugljenog sloja Filtracijska svojstva Tehnološki faktori Injekcijski pritisak

Uplinjavajući agensi Razvoj šupljine podzemnog uplinjača 5. METODE PODZEMNOG UPLINJAVANJA UGLJENA Klasifikacija metoda podzemnog uplinjavanja

2

Metoda podzemnog uplinjavanja izradom jamskih prostorija Metoda indukcionog povezivanja

Metoda vertikalnih povezanih bušotina Metoda proširene kanalne veze bušotina Metoda podzemnog uplinjavanja u strmim slojevima Širokočelna metoda podzemnog uplinjavanja

Metoda kontroliranog povlačenja injekcijske točke Metoda filtracije

6. STATUS PODZEMNOG UPLINJAVANJA SSSR SAD EUROPA REZIME

3

1. UGLJEN

1.1 Postanak i geneza ugljena

Ugljen je konačni produkt bioloških i geoloških procesa koji su trajali milijune godina. Povoljni uvjeti za akumulaciju treseta postojali su na različitim mjestima tijekom približno 350 miliona godina. Tijekom milenije razvijene su mnoge nove vrste biljaka, dok su druge nestale, tako su sasvim različite biljne vrste doprinosile stvaranju ugljenih formacija. Primjerice smolovita drveća nisu značajnije učestvovala do zadnjih 10 mil i juna godina (kreda).

Za razvoj ugljenih formacija glavna su dva geološka perioda; karbon za kamene i tercijar za mrke ugljene.

Heterogenost ugljena uočava se između slojeva pojedinog ležišta, te u samom sloju, lateralno i vertikalno. Složenost građe ugljena povećava prisutnost mineralne tvari koja je ušla u ugljen u razl ič i t im periodima geneze ležišta. Tijekom akumulacije tresetišta minerali su pritjecali u ležište plavljenjem tekućih vodotoka, ponajviše m i n e r a l i gline i k v a r c a . U tresetište ili kasnije u manje i l i više konsolidiranom, zbijenom i raspucalom ugljenu cirkulirajućim vodama istaloženi su uglavnom karbonati i sulfidi. Taloženje p i r i t a zbivalo se pomoću posebnih bakterija. Elementi u tragovima koje nalazimo u ugljenima potječu od biljaka.

Razlike u ugljenima koje proistiću iz prvotne faze akumulacije organske supstance u tresetnom bazenu općenito se iskazuju tipovima ugljena.

Ugljen je biolit , stijena nastala iz živih organizama kaustobiolita i l i gorivih biolita. Postoje znatne razlike u ugljenima, ne samo između pojedinih ležišta, ili unutar jednog ležišta od sloja do sloja, već i unutar svakog pojedinog sloja. Heterogenost ugljena vidl j iva je izrazitije vertikalno na sloj dok je manje izražena lateralno.

Ugljeni se razlikuju po tipovima i rangovima. Klasifikacije ugljena uređene su kombinacijom tipova i rangova.

1.2. Petrografska građa ugljena Ugljen je složena tvar sastavljena od organske i anorganske komponente. Jedinice organske građe ugljena su:

-macerali, -mikrolitotipovi i - litotipovi

1.2.1. Macerali - najmanje organske čestice ugljena koje se mogu promatrati mikroskopom

analogno mineralima za anorganske čestice. - nemaju točno određena kemijska i fizikalna svojstva. - u smislu kristalne strukture su amorfni. - dijele se po sjaju i sekundarno po morfološkim obilježjima ili nepostojanju istih. Podijeljeni su po porijeklu u tri grupe:

4

-vitrinite, -liptinite i -inertinite

Vrste macerala Vitrinit - najčešći maceral većine ugljena (50-90% ovisno o rangu). - od stabala i korijenja biljaka. - visoko kemijski reaktivan. Liptinit -minorni sastojak ugljena -rezistentni dijelovi viših biljaka i algi (spora, kutikula, smola, voskova). -sjaj znatno manji u odnosu na ostale macerale. - međusobno se razlikuju se po morfologiji preuzetoj od biljne strukture. -kemijski visoko reaktivni -relativno najveći sadržaj vodika (>10%) od svih macerala. Inertiniti - od nepoznatih biljaka. - variraju u pojavljivanju po različ i t im ugljenim poljima. - ime potječe od inertnog ponašanja u toku koksiranja i drugih pirol i t ičkih

procesa. - visokog su sjaja i imaju visoki sadržaj ugljika. - porijeklo od različitih uvjeta oksidacije i karbonizacije prije i nakon potonuća

ugljenog bazena 1.2.2. Mikrolitotipovi i litotipovi Mikrolitotipovi su tipične asocijacije macerala u različ i t im kombinacijama grupa macerala. Minimalna debljina proslojaka koji se mogu identificirati je 50 mikrona. Litotipovi se pojavljuju kao trake i l i slojevi unutar ugljena i mogu se uočiti vizuelnim pregledom. Minimalne debljine litotipova da ih možemo identificirati kao takve su 3mm. Debljina litotipova najčešće varira između 3~10 mm. Litotipovi ugljena Litotipovi ugljena su: - Vitren i klaren – sjajni litotipovi

- Duren i fuzen - tamniji i l i mat litotipovi

Vitren zagrijavanjem brzo (400-500oC) omekša i postaje plastičan progresivno devolatilizaciji, zatim stvrdne i daje dobar ugljeni ostatak ili koks. Sadrži malo lakotaljivog pepela (oko 1%) što je posljedica izvornog materijala iz kojeg potječe. Vitrenićni ugljen podesan za koksiranje mora sadržavati optimalnu količ inu volati lnih komponenti (18-26%). Za postizanje dobrih koksirajućih osobina ugljen mora sadržavati i izvjesnu količinu durena, koji je bogat volat i l ima što potiče reaktivnost i razvoj šupljina, te izvjesnu količinu fuzena koji ima više ugl j ika čime se povećava kalorička moć. Duren ima veće talište, više vodika i pepela od vitrena, nije koksujući ali je pogodan za suhu destilaciju i dobivanje katrana. Fuzen je pretrpio najveće promjene od svih litotipova. Ima povećan sadržaj

5

ugljika i veliku kaloričnu moć, malo hlapivog i puno teškotaljivog pepela.

1.3. Tipovi ugljena

Tipovi ugljena potiču od uvjeta tijekom prvotne faze akumulacije organske supstance u tresetnim bazenima.

Pri utvrđivanju tipa ugljena promatra se:

-izvorna organske supstance ⇒ različite vrste i dijelova biljaka, te

-mineralne tvari ⇒ ulaze u ležište u razl ič i t im fazama formiranja ležišta i na različite načine.

Po ishodišnoj organskoj materiji ugljeni se razvrstavaju u:

- sapropelite,

- l iptobioli te i

- humite.

Sapropeliti su nastali iz bjelančevina i masti vodenih organizama.

Liptobioli t i potječu od rezistentnijih dijelova organske materije koja nije pretrpjela vel ike promjene.

Humiti su nastali pougljenjavanjem ili karbonizacijom drvenastih dijelova biljaka.

Liptobiolitični i sapropelitični ugljeni su podobniji za kemijsku obradu (otapanje, destilacija) jer sadrže više vodika, suhom destilacijom daju više katrana i lakše se pale.

Humitični ugljeni su izraziti ogrjevni ugljeni. 1.4. Rang ugljena Rang ugljena određuju stupanj zrelosti ugljena. Zrelošću, odnosno rangom ili starošću ugljena:

- raste sadržaj ugljika - smanjuje se vlaga, gruba i higroskopna, volati l i , pepeo i kisik.

Proces pretvorbe (metamorfoze) ugljena posljedica je:

- djelovanja mikroorganizama - povećani pritisak i temperature uslijed tonjenja sedimentnog bazena i

prekrivanja debelim naslagama mlađih sedimenata. Smatra se da primarni utjecaj na zrelost ugljena, posebice onih višeg ranga, ima povišena temperatura. Postoje geološki mlađi ugljeni, koji su bili pod utjecajem prirodnih izvora topline (plutonskih intruzija), većeg stupnja zrelosti, nego što bi trebali imati glede geološke starosti. Promjene ugljena tijekom metamorfoze sistematiziraju se rangovima. U procesu

6

metamorfaze organska supstanca prolazi kroz kemijske i fizikalne promjene. Posredovanjem mikroorganizama dolazi i do kemijske razgradnje sastojaka biljaka (lignina, škroba, celuloze) i stvaranja huminskih kiselina (humifizikacija). Proces se nastavlja gelifikacijom organske supstance (poprima koloidalnu strukturu), te zatim zgrušnjavanjem i stvrdnjavanjem u vitrinit najćešći i najvredniji sastojak ugljena. Snažnim orogenetskim pokretima ugljeno ležište može biti translatirano stotinama kilometara od izvorne lokacije. U ranoj fazi procesa ugljeniziranja istiskuju se CO i H20 a u kasnijoj CH4. 1.5. Klasifikacije ugljena Postoje brojne klasifikacije ugljena. Gotovo svaka razvijena zemlja koristi vlastitu klasifikaciju prilagođenu svojim prilikama; ugljenima kojima raspolaže i tehnološkim postupcima u kojima se ugljeni iskorištavaju. Najčešći klasifikacijski elementi su: imediatna i elementarna analiza, kalorička vrijednost, postotak volatila, postotak ugljika i vodika na čistu gorivu tvar i sadržaj sumpora. Ima klasifikacija koje se odnose samo na ugljene višeg ranga (antracite i kamene) odnosno samo na ugljene nižeg ranga (lignite i mrke). To proizlazi iz činjenice da se istim mjerilom nemogu razlikovati ugljeni različitog stupnja zrelosti. Tako američka ASTM (American Societv for Testing Materials) klasifikacija prema stupnju karbonizacije ("by rank") uzima za klasifikaciju kamenih ugljena vrijednost fiksnog ugljika (na suhu tvar; čista goriva tvar bez pepela i vlage) a za mrke ugljene i lignite kaloričnu vrijednost čiste gorive tvari. Za klasifikacijski element uzima se još svojstvo koksiranja (agglomerating ili no n a g g 1 o m e r a t i n g ) t e p o n a š anje u g Ij e n a u k o 1 i k o stoji na zraku (raspada se i l i se ne raspada). Američka klasifikacija prema kvaliteti ("by grade;") uzima u obzir postotak pepela i sumpora, i točku smekšavanja pepela (13,46). Po vrijedećem Pravilniku o prikupljanju podataka, načinu evidentiranja i utvrđivanja rezervi mineralnih sirovina te o izradi bilance tih rezervi (Narodne novine, br.48/92. i 60/92.) u g 1 j e n se temeljem poda t a k a t e h n i č k e a n a 1 i z e o u k u p n o j vlazi, kaloričnoj vrijednosti (bez vlage i pepela-čista goriva tvar), volati1ima (suha hlapiva tvar), izgledu i svojstvima koksnog ostatka razvrstava u vrste. Važno je primjetiti sličnosti u klasifikacijskim elementima sa ASTM klasifikacijom. Ligniti i mrki ugljeni ne razvrstavaju se po volatilnoj tvari, isto kao i kod ASTM klasifikacije, već se razlikuju po sadržaju vlage i kaloričnoj vrijednosti. Ugljeni višeg ranga, kameni i antraciti, razlikuju se osim po sadržaju volat i la i po kaloričnoj vrijednosti za razliku od ASTM klasifikacije gdje se ne specificiraju kalorične vrijednosti (izuzev za visoko volatilne B i C kamene ugljene). Na osnovu kalorične vrijednosti čiste gorive tvari (fiksni ugljik + volati l i) jasno se razlikuju ugljeni po stupnju zrelosti. U praksi može se desiti da neki mrki ugljen ima manje pepela od kamenog. Ukoliko se kao klasifikacijski element uzima kalorička moć ugljena uključujući pepeo i vlagu, mrki ugljen imao bi veću kaloričku vrijednost od kamenog. Preračunavanjem kalorimetrijske analize na čistu gorivu tvar dobijamo jasno razlikovanje ranga kamenog i mrkog ugljena.

7

1.6. Analize ugljena Preporučljivo je za potrebe postupka uplinjavanja ugljena izvesti slijedeće standardne obrade: - elementarnu i standardnu analizu - donju ogrjevnu vrijednost -petrografsku analizu - gorivi sumpor -talište pepela Elementarnom analizom određuje se sadržaj vlage (grube i higroskopne), pepela, ugljika, vodika, gorivog sumpora, dušika i kisika. Imediatnom analizom određuje se sadržaj pepela, fiksnog ugljika, vlage i volatila. Fiksni ugljik i pepeo daju ugljeni ostatak ili koks, odnosno čvrstu fazu. Vlaga (vlažno hlapivo) i volatili (suho hlapivo) daju hlapivu fazu ugljena. Fiksni ugljik i volatili daju čistu gorivu tvar ugljena. Ugljen, ovisno o vrsti sadrži i do 60% vlage koja se gubi sušenjem na zraku. Adsorpcijski vezana hidroskopna vlaga izlazi zagrijavanjem ugljena. Za razvoj uplinjavanja u sloju važna je donja ogrjevna vrijednost. U podzemnom uplinjaču potrebno je održavanje visoke temperature radi poticanja stvaranja gorivih plinova CO i H2). Vlaga i pepeo (u stvari mineralna tvar u ugljenu koja ima i gorivih sastavnica, poput dijela sumpora) snižavaju ogrjevnu vrijednost ugljena. Volatili mogu povećati udjel metana i viših ugljikovodika u proizvedenom plinu, suhom destilacijom ugljena u okolini uplinjača. Također, povećavaju reaktivnost i paljenje ugljenja. Sadržaj pepela u ugljenu obično je između 7 i 14%, međutim može biti i izvan tih granica. Talište pepela (pepeo je smjesa različite anorganske tvari) je za hrvatske ugljene između 1000 i 1300oC. Temperatura tališta poželjno je da bude što veća, jer niskotaljivi pepel snižava propusnost ugljena. Istaljeni pepeo sljepljuje čestice ugljena sprečavajući njihovo potpuno izgaranje smanjujući ogrjevnu vroijednost ugljena. Pepeo djelomice zapunjava šupljinu podzemnog uplinjača i poznavanje toga koristi se za predviđanje skijeganja krovinskih naslaga i površine terena. Ukupni sumpor u ugljenu sastoji se od gorivog i negorivog dijela te organskog i neorganskog. Gorivi sumpor potiče, djelom iz organskog a dijelom iz neorganskog sumpora (iz pirita i markezita). Gorivi sumpor izgaranjem prelazi u SO2 i manje SO3 koji sa vodom tvori sumpornu kiselinu. Kiseline štetno djeluju na postrojenje i okoliš. Kod uplinjava hlapivi sumpor treba ukloniti iz proizvedenog plina, skupim postupcima čišćenja.

8

Negorivi sumpor ostaje u pepelu, potječe iz sulfata i dijelom iz pirita i markezita. Pri temperaturama između 400 i 500oC ugljen se počinje taliti te prelazi u plastično stanje. U plastičnom stanju ugljenu naglo pada propusnost dostižući neki maksimum. Nakon toga ugljen se skrućuje, propusnost ponovno raste i dostiže vrijednosti jednake onoj prije pojave plastičnosti. Fizikalne značajke ugljena imaju posebnu važnost za razvoj procesa uplinjavanja ugljena. Propusnost, šupljikavost, samozapaljivost, toplinska provodljivost imaju presudni značaj u procesa uplinjavanja ugljena. Plastičnost ugljena, posebice na većim dubinama, značajno mijenja fizikalne značajke ugljena. 1.7. Mineralna tvar u ugljenu Mineralna tvar u ugljenu čine mineralna zrna različitih anorganskih sastojaka i elemenata u tragovima. Mineralna tvar potječe iz samih biljaka ili je unijeta u tresetište. Veličina varira, od većih komada vidljivih golim okom, ili su mikroskopski sitne i dispergirane u ugljenoj masi. Količina mineralne tvari u ugljenu varira između 0 i 60%. Najčešće su prisutni glinoviti minerali i čine 60 do 80% svih minerala prisutnih u ugljenu. Pirit je najčešći mineral u ugljenu. 1.8. Fizičko-mehaničke značajke ugljena Fizičko-mehaničke značajke ugljena prvenstveno su određene strukturom (petrografskom građom) i stupnjem karbonizacije (ugljenizacije) te sdržajem pepela i vlage. Čvrstoća, tvrdoća i drobljivost imaju veći značaj kod klasične eksploatacije i prerade ugljena. Propusnost, šupljikavost, pojava plastičnosti kod povećane temperature i pritiska, samozapaljivost, toplinska i električna provodljivost značajne su kod provođenja podzemnog uplinjavanja ugljena. Poroznost i propusnost Ugljeni imaju vrlo poroznu strukturu, što je vidljivo i iz sadržaja vlage. Općenito, ugljeni nižeg ranga imaju veću poroznost, posebice ugljeni sa sadržajem ugljika manjim od 83%. Minimalna poroznost ugljika je u području sadržaja ugljika 87 do 90% (oko 3%). Dalje, prema ugljenima višeg ranga poroznost se ponovno značajno povećava. Propusnost ugljena je veća uzduž nego porijeko na slojevitost. Propusnost ugljena te pratećih posebice krovinskih naslaga, ima jednu od primarnih uloga u postupku uplinjavanja. Nedovoljna propusnost može onemogućiti ostvarenje veze između tehnoloških bušotina pa se pristupa postupcima za povećanje propusnosti ugljenog sloja. Koeficijent propusnosti ugljena kreće se u granicama 10-5 do 10-10cm2s-1. Prevelika propusnost ugljena također nije poželjna jer pospješuje migraciju uplinjavajućih i proizvedenih plinova te vode stvorene u postupku uplinjavanja kroz ugljeni sloj. Propusnost krovinskih naslaga, u cilju sprječavanja gubitka plinova te prodora vode iz višeležećih naslaga, poželjno je da bude što niža.

9

Propusnost stijenske mase smanjuje se sa dubinom uslijed pritiska natkrivke. Struktura i gustoća Gustoća ugljena ovisi o petrografskoj građi, odnosno udjelu pojedinih mikrolitotipova (fuzit ima najveću gustoću 1,37-1,52 t/m3, a vitrit najmanju 1,28-1,30 t/m3). Gustoća lignita (63% C) iznosi 1,45 t/m3, zatim se smanjuje na 1,25 t/m3 te se oštro povećava za antracit na 1,53 t/m3 (91% C). Gustoća ugljena povećava se uključenjem konačno raspršene mineralne tvari koja ima značajno veću gustoću od organske tvari. Ugljen je građen od tankih slojeva zgusnutih prstenastih struktura složenih grubo paralelno. Međuslojne udaljenosti smanjuju se povećanjem ranga (3,92 Â za lignite do 3,51 Â za antracite). Samozapaljivost Samozapaljenje ugljena nastupa u uvjetima kada iznos oksidacijom stvorene topline premaši iznos izgubljene topline, međutim točan mehanizam ovog fenomena nije u potpunosti razjašnjen. Ligniti i mrki ugljeni skoniji su samopaljenju od ugljena višeg ranga. To je posljedica veće otvorene porne strukrure i pogodnosti unutarnje površine za oksidacijom, uz mnoštvo organskih sastojaka sklonijih oksidaciji. Odlična termoizolirajuća svojstav ugljena pridonose prirastu topline stvorene oksidacijom. Električna provodljivost Povečanjem ranga ugljena i gustoće (opada sadržaj vlage i pepela) električna provodljivost se mrkim ugljenima smanjuje dok se kod kamenih i antracita povećava. Na električnu provodljivost kod mlađih ugljena presudnu ulogu ima izvorna građa, a kod zrelijih stupanj karbonizacije. Općenito električna provodljivost raste sadržajem pepela (mineralne tvari) odnosno smanjenjem sadržaja ugljika. Porastom temperature povećava se električna provodljivost. Toplinska provodljivost Specifična toplina ugljena ovisna je o stupnju metamorfizma i sadržaju vlage i pepela. Specifična toplina povećava se sa vlagom a smanjuje sadržajem pepela. Suhi mrki ugljen ima specifičnu toplinu 0,20 do 0,28 a rovni ugljen sa vlagom i do 0,60. Ugljen je blizak toplinskim izolatorima. 1.9. Upotreba ugljena Postoje četiri glavne tehnologije prerade i iskorištavanja ugljena:

1. Korištenje ugljena za metalurške potrebe, odnosno proizvodnju koksa. 2. Direktno sagorijevanje ugljena za proizvodnju električne i l i

toplinske energije.

10

3. Uplinjavanje ugljena ⇒ može se dobiti više proizvoda različite

namjene: - prirodni pl in koji za proizvodnju e1ektrične energije - sintetski pl in ⇒ smjesa vodika i ugljičnog dioksida za upotrebu u indirektnom ukapljivanju i l i kao kemijske sirovine. - vodik potreban za direktno ukapljivanje ugljena

4. Ukapljivanje ugljena, direktno i l i indirektno:

- direktnim ukapljivanjem molekularna struktura ugljena narušava se u najmanjoj mogućoj mjeri

indirektno ukap1jivanje ⇒ uk1jučuje katalitičku sintezu željenih ugljikovodika, primjerice benzina, počinjući od sintetske smjese plinova dobivene potpunim razbijanjem kemijske strukture ugljena tokom uplinjavanja

Heterogenost ugljena zahtjeva pažljivu karakterizaciju kemijske i fizikalne s t r u k ture i posljedica k o j e p ro i z v o d e p r i 1i k o m različit ih korištenja ugljena.

Primarni problem tehnologija korištenja ugljena je smanjenje zagađenja okoline. Zahtjevi zaštite okoline traže indirektne i usavršene načine pridobivanja energije i ostalih proizvoda iz ugljena.

Većina ugljena zahtjeva izvjesnu pripremu prije ulaska u sofisticirana postrojenja moderne tehnologije.

Priprema:

- sitnjenje ⇒ pogodna veličina čestica za pojedine tipove kotlova,

- čišćenja većeg stupnja ⇒ uklanjanje sumpora i mineralnih tvari iz ugljena.

11

12

2. UPLINJAVANJE UGLJENA

Gorivi plinovi iz ugljena mogu se dobiti:

-suhom destilacijom i

- uplinjavanjem Suha destilacija ugljena je zagrijavanje bez pristupa zraka. Uplinjavanje je pretvaranje krutog u plinovito gorivo, nepotpunim izgaranjem zbog nedostatka kisika. Kruto gorivo može biti koks, ugljen ili drvo. Uplinjavanje ugljena može se provesti u nadzemnim i podzemnim uplinjačima (reaktorima). SUHA DESTILACIJA UGLJENA

Zagrijavanje ugljena bez pristupa zraka, pri čemu se separiraruju tri faze: plinovitu, tekuću i čvrstu. -gorivi plinovi su ustvari volatili (suha hlapiva tvar) koji čine konstitutivnu komponentu materije ugljena ⇒ u literaturi se koristi pojam isplinjavanje i l i devolati1izacija ugljena

-produkti suhe destilacije ovise o:

- vrsti ugljena, - temperaturi i pritisku destilacije, - načinu vođenja postupka te - obliku i konstrukciji destilacijske retorte.

-na temperaturama iznad 380 °C (otpuštanje gorivih plinova). -primarna, niskotemperaturna suha destilacija (švelovanje, njem. Schwelung) do 500°C. -destilacija na srednjim temperaturama (do 600 °C) malo je tehnički značajna. -prava suha destilacija i l i koksiranje provodi se pri visokim temperaturama (1000-1200 °C). -produkti su koks, katran, voda i plin. Povećanjem temperature destilacije:

- smanjuje se količina dobivenog koksa (više hlapivog isplini) ali je koks mehanički čvršći. -količina katrana se također smanjuje ⇒njegove pare cijepaju se na vodu i plinove, raste količina gorivih plinova, -gorivi plinovi sadrže više CO i H2 , ugljikovodici CH (brže) i CnHm (polakše) se razlažu.

-relativna težina destilacijskih plinova u odnosu na zrak je 0.45-0.55, a srednja kalorička moć oko 21000 kJ/Nm3. -glavni proizvod niskotemperaturne suhe destilacije (švelovanja) je katran, visokotemperaturne koks ili plin. KEMIZAM UPLINJAVANJA

Ugljen je sastavljen od dvije faze

13

- ugljenog ostatka i

- volatila

Uplinjavanja ugljena uključuje dvije faze

-devolati1izaciju i

-uplinjavanje ugljenog ostatka.

Devolati1izacija nastupa relativno brzo zagrijavanjem ugljena iznad 400 oC.

Uplinjavanje manje reaktivnog ugljenog ostatka odvija se znatno sporije. DEVOLATILIZACIJA

Volatili uključuju metan, katrane, fenole, ulja, naftu, vodikov sulfid, amonijak i nešto CO i H2.

Proizvodi devolati1izacija:

-manje reaktivan čvrsti ugljeni ostatak,

-katrani,

-kondenzirajuće tekućine i

- laki plinovi.

Malo je poznato kako uvjeti reakcije utječu na sastav proizvoda devolati1izacije.

Pravilno vođenje postupka u smislu zahvaćanja svih volat i lnih sastojaka vodi visokom toplinskom iskorištenju ugljena.

Nominalno 40% težinskih dijelova ugljena se volati1izira tijekom faze volatilizacije.. U uvjetima postupka kada se formira katran, približno 10% težinskih dijelova gorive vrijednosti ugljena je u katranu i frakcijama nafte, te oko 20-30% u metanu, vodiku i ugljičnom monoksidu. Devolati1izacija sama po sebi zahtjeva malo topline, u odnosu, na toplinu potrebnu za zagrijavanje ugljena na temperaturu devolati1izacije. UPLINJAVANJE UGLJENOG OSTATKA Ugljeni ostatak stvoren devolati1izacijom je vrlo sličan čistom ugljiku. Postoji više načina izražavanja razl ič i t ih kemijskih reakcija uplinjavanja ugljenog ostatka, ali zbog atomske ravnoteže biti će samo četiri nezavisne reakcije kada su produkti CO, H2, CO2 i CH4, odnosno tri kada se metan ne stvara direktno iz ugljenog ostatka. Reakcije izgaranja C+1/2O2=CO C + O2=CO2

Reakcije uplinjavanja C + H20 = CO + H2

C + 2H20=CO2+ 2H2

14

C + CO2 = 2CO

Reakcije metanizacije C + COCHOH32

31

32

42 +=

C + 242 21

21 COCHOH +=

Trokutni stehiometrijski dijagram sa tri reaktanta

ugljikom, kisikom i vodenom parom, bez učešća metanskih reakcija. U području iznad i ispod osnovica trapeza postoji suvišak ugljika, odnosno kisika i vodene pare, pa reakcije nemogu nastupiti zbog stehiometrijskih ograničenja. Unutar trapeza postoje ograničenja vezana uz energetski ba1ans i reprezentirana su linijom AB. Reakcije izgaranja su egzotermne a reakcije uplinjavanja endotermne. KATALITIČKA DJELOVANJA

Katalitički utjecaj mineralnih tvari sadržanih ili dodanih ugljenu na pospješivanje određenih kemijskih reakcija, proučavan je ne samo vezano za postupak uplinjavanja, nego za druge tehnologije iskorištavanja poput izgaranja, ukapljivanje i l i koksiranje. K a t a1i t i č k i u t j e c a j rn i n e r a 1 n e t v a r i nije je cl nozn a č no o d r e đe n n a stupanj uplinjavanja; kod nekih ugljena pospješuje postupak kod drugih smanjuje učinke -Mineralna tvar b i lo dodana i l i sadržana u ugljenu može imati katalitičko djelovanje na reakcije uplinjavanja uslijed f iz ikalnih i kemijskih utjecaja na organsku tvar. - Ima interpretacija da mineralna tvar djeluje kao fizički razrjeđivač smanjujući gomilanje ugljena, posljedica je veća radna unutrašnja površina pora.

-za postupak koksiranja na kojem se temelji svjetska teška industrija nisu poznata

15

fundametalna saznanja interakcije minerala i macerala što predstavlja kritičnu prepreku u daljnjem unapređivanju i razvoju postupka.

-sumpor se dijeli u anorganski i organski koji je raspodijeljen unutar cijele ugljene mase,

-glavni i najčešći anorganski sastojci ugljena su minerali ilita, kaolinita, kvarca, kalcita i pirita.

-ostali minerali prisutni u manjim količinama su siderit, ankerit, dolomit, feldspar, gips, rnarkazit i sfalerit. NADZEMNO UPLINJAVANJE Nadzemno uplinjavanje ugljena provodi se u nadzemnim reaktorima ili uplinjačima, dobiva se generatorski plin. Sastav generatorskog plina ovisi o:

- vrsti goriva, - temperaturnom području odvijanja reakcije, - tipu reaktora, - plinovitim uplinjavajučim agensima te - načinu vođenja postupka.

Uplinjavajući agensi su zrak, vodena para, zrak obogaćen sa kisikom i l i čisti kisik. -uplinjavajući agensi dodaju se istovremeno ili naizmjence. -proizvodi su gorivi plinovi, tekuća faza (katrani i teži ugljikovodici), te ugljeni pepeo. -prije ulaska u uplinjač ugljen je uglavnom podvrgnut postupku sitnjenja i klasiranja na određenu veličinu čestica,

16

Shematski prikaz nadzemnog uplinjača. U reakcijsku posudu na rešetku dodaje se odozgo kruto gorivo. Odozdo se upuhava zrak i u tankom pojasu iznad rešetke dolazi do potpunog izgaranja goriva.

Do visine "a" stupca goriva postoji suvišak kisika i stvara se CO2 . Iznad visine "a" potrošen je sav kisik, te u uvjetima u ž a re n ost i goriva n a visoku t emp e rat uru i manj k a kisika ug1j i k a uzima k i s i k iz ugljičnog dio ks i da i n a s t u p a r ea k ci j a redu kci je,.

17

Udio CO2 po visini pada i stvara se CO. Teoretski CO2 veoma brzo iščezava.

Opisani proces izražava se kemijskim relacijama:

C + O2 → CO2 + 406 MJ

C + CO2 → 2C0 - 161 MJ zajedno 2C + O2 → 2C0 + 245 MJ Reakcija uplinjavanja sa vodenom parom naziva se vodeno-plinska reakcija gdje se stvara vodeni p l i n sa 50% vol. CO i 50% vol. H2:

C + H2O → CO + H2

ili poluvodena reakcija u kojoj se stvara poluvodeni plin sa 33.3% vol. CO2 i 66.6% vol. H2:

C + 2H2O → CO2 + 2H2

Može se dobiti između 50% vol. CO i 33.3% vol. CO2 (CO=0). Ravnoteža CO i CO2 zavisi o temperature, pri višim temperaturama dobiva se više CO.

TEORETSKE POTREBE ZRAKA, KISIKA, VODENE PARE I DOBIVENI PLINOVI KOD UPLINJAVANJA 1kgC

(KV = 33,7 MJ/kg)

18

3. POVEZIVANJE TEHNOLOŠKIH BUŠOTINA

Postupak PUU može se podijeliti u dvije osnovne faze:

-fazu povezivanja tehnoloških bušotina i

- fazu uplinjavanja ugljena.

Povezivanje tehnoloških bušotina predstavlja u stvari postupak kojim se povećava prirodna propusnost ugljenog sloja. Prirodna propusnost ugljenog sloja je nedovoljna za postizanje visoke razine odvijanja procesa uplinjavanja. Učinkovitost uplinjavanja uveliko ovisi o kapacitetu propuštanja kako proizvedenog plina tako i uplinjavajućih agenasa. Stupanj iskorištenja uplinjenog sloja (masa ugljena uplinjena u jedinici vremena) mora imati visoku razinu, budući na niskoj razini odvijanja procesa uslijed gubitaka topline u okoliš dolazi do termalne neučinkovitosti što utječe na kvalitetu proizvedenog plina. Također, temperatura može biti nedovoljna za ostvarivanje izgaranja i uplinjavanja ugljenog ostatka što vodi slabom iskorištenju ugljena. Uspostavljanje veze, posebno na velikim dubinama, je težak pothvat i teško ga je kontrolirati. Primjena fi1tracijskog uplinjavanja, gdje se pretpostavlja uspostavljanje toka plina kroz netaknuti ugljeni sloj pomoću visokog pritiska i bez prethodnog tretiranja sloja i stvaranja umjetnih puteva toka plinova, pokazalo se neučinkovitim. Razlika pritiska, između injekcione i proizvodne bušotine, potrebnog za ostvarivanje toka plina kroz ugljeni sloj je ograničena tehničkim i ekonomskim zahtjevima i mora se pažljivo procijeniti. Maksimalni injekcijski pritisak ograničen je:

- cijenom koštanja, - slamanjem pokrivke i - gubljenjem uplinjavajućih agenasa i proizvedenih plinova u okolne

formacije. - donja granica pritiska injekcionog plina vezana je kvalitetom

proizvedenog plina i pritoka vode u zoni uplinjača.

Za iskorištenje što veće količine uplinjavanog ugljena poželjno je ostvariti vezu po dnu ugljenog sloja. Podaci dobiveni modeliranjem i terenskim pokusima pokazuju da je rast šupljine uplinjača najmanji prema podini ugljenog sloja. Prema podini ostaje izolirajući sloj sastavljen od djelomično rastaljenih stijena, pepela i ugljenog ostatka. Prema krovini rast šupljine ograničen je debljinom ugljenog sloja. Iskorištenje ugljenog sloja a s time i ekonomska uspješnost PUU je uvelike određena položajem prvotne veze tehnoloških bušotina.

Načini povezivanja i l i povećanja propusnosti ugljenog sloja između tehnoloških bušotina:

1. Hidraulično frakturiranje 2. Frakturiranje eksplozivom 3. Elektropovezivanje 4. Usmjereno bušenje 5. Reversno izgaranje

Navedeni postupci povezivanja mogu se provoditi zasebno ili kombinirano. Razlikujemo primarno (početno) i konačno povezivanje. Primjerice, hidrauličnim frakturiranjem ili usmjerenim bušenjem primarno se povećava propusnost, a daljnje povećanje propusnosti postiže se u konačnoj fazi povezivanja revesnim izgaranjem. Ima tehnoloških shema, gdje je proširenje kanalne veze dobivene usmjerenim bušenjem predviđeno CRIP manevrom. CRIP postupak, koji je jedna od metoda uplinjavanja, koristi se kao metoda povezivanja tehnoloških bušotina. Postupci povećanja propusnosti ugljenog sloja u fazi povezivanja mogu se koristiti i u

19

fazi uplinjavanja za postizanje veće reaktivnosti i brzine odvijanja postupka.

add 1. Najviše korišteno u SSSR-u. Pokazalo se uspješno samo ukoliko je ugljen zdrobljen prethodnim rudarskim radovima ili uz prirodno pojavljivanje pukotina. Pukotinski sistemi imaju kasnije tendenciju obustavljanja uplinjavanja, zbog prevelikog lomljenja i pretjeranog gubitka plinova u upiinjaču.

add 2. Pukotinski sustav stvoren miniranjem u ugljenom sloju ne prodire dovoljno duboko za uspostavu veze između bušotina. Ukoliko se koriste jači eksplozivi krovina se ruši ometajući uplinjavanje. Stvorene pukotine se zatvaraju budući se materijal ne uklanja.

add 3. Elektrode se smještaju u dno bušotine i zatim se narine visoki napon. Procesom dielektričnog sloma stvore se mali kanali visoke elektro-provodljivosti koji uz dovoljnu voltažu povezu bušotine. U drugoj -Fazi postupka stvorene male pukotine se elektrokarbonizacijom proširuju uz nisku voltažu i visoku jakost struje. Prednost metode je da je to udomaćen postupak. Nedostatak je u prekomjernom račvanju kanala tako da troškovi povećane potrošnje el. struje mogu dovesti u pitanje ekonomičnost postupka. Ukoliko se smanji voltaža preko granične vrijednosti povezivanje se počinje obustavljati.

add 4. Prilično uspješan i obećavajući postupak. Razvijena je posebna metoda bušenja specijalno za PUU Cornering-Water-Jett-Dri11, bušenje skoro pod pravim kutem. U početnoj fazi uplinjavanja lako može doći do blokiranja procesa zbog malog promjera izbušene vezne bušotine. Usmjereno bušenje je skupo, pa se jednom bušotinom povezuje više vertikalnih bušotina, cime se poboljšava ekonomičnost povezivanja.

add 5. Najčešće korištena metoda povezivanja. Koristi se kao konačna ali kao i primarna metoda povezivanja (usmjereno bušenje-proširenje kanala reversnim sagorjevanjem). Metoda je stara i u praksi ostvarena još 1930. godine u SSSR-u. Prednost su niski troškovi, jednostavnost i udomačenost. Nije univerzalno primjenjiva (takva i ne postaji) i ima ograničenu ali općenito priznatu ulogu u PUU. Metoda posebno dolazi u obzir kod uplinjavanja strmih slojeva, gdje skretanje kanala prema krovini (čak i do 5m) ima najmanji negativni učinak. U horizontalnim slojevima plivajući efekt usmjerava početno gorenje prema gore što nije poželjno. Gorenje se također može usmjeriti prema vrhu sloja uz postojeće otvorene pukotine u ugljenu. U slučaju kada u ugljenom sloju postoje zgodno raspoređeni prosiojci sela, koji mogu ograničiti dizanje fronte reversnog gorenja ova metoda se može koristiti kao primarna metoda povezivanja. Kasnije u toku postupka PUU prosiojci sela padaju na dno uplinjača omogućujući iskorištenje i gornjih dijelova sloja. Kod reversnog izgaranja <u daljnjem tekstu RI) front gorenja širi se kroz čvrstu -fazu protusmjerno toku injektiranih plinova.

20

SI.4.12. Razvoj veznog kanala reversnim izgaranjem

Geološke pukotine mogu prouzročiti trenutno prekoračenje ugljenog sloja a mogu predstavljati i neprobojnu zapreku daljem širenju gorive fronte. Bujanje i plastične deformacije ograničuju povećanu propusnost ugljenog sloja ostvarenu reversnim sagorjevanjem. Samozapaljenje uslijed otpuštanja i kondenzacije para volatila može začepiti ugljeni sloj i spriječiti uspješno povezivanje. Daljnjim razvojem uloga RI metode može se proširiti da zamijeni skuplje tehnike povećavajući komercijalnu životvornost PUU. Postoji nekoliko tehnika za savladavanje nabrojenih problema kod RI povezivanja. Ne postoji direktna i nezavisna kontrola broja, veličine i propusnosti RI kanala ili njihovih puteva. Budući se radi o "in situ" procesu postoji ograničeni broj kontrolnih parametara (S1.4.12.). Cilj RI je postizanje povećane propusnosti uz što niže koštanje. Poželjno je stoga kontrolirati broj RI kanala, promjer, propusnost i brzinu širenja. Na nesreću nije moguće podesiti kontrolne parametre da mijenjaju jedno od nabrojenih svojstava bez utjecaja na druge. Potrebno je odabrati optimalni skup kontrolnih parametara.

21

Tri su parametra najčešće razmatrana kao jedino sredstvo utjecanja na RI: ukupni tok injektiranih plinova, sadržaj kisika u injektiranom plinu i prateći pritisak u pro-izvodnoj bušotini (SI. 4.13.).

Sl.4.13. Pravolinijski vezni kanal kontrolom protoka

Regulacija RI navedenim parametrima je skupa. Jeftiniji postupak je dodavanje komponenata koji djeluju kao promotori (pospješivači) ili inhibitori (zaprecivaći) kinetike izgaranja. Prvenstveno utječu na brzinu širenja RI i promjer kanala. Kontrola RI dodavanjem promotora ili inhibitora može biti mnogo ekonomičnija nego opsežniji zahvati kao što su mijenjanje pratećeg pritiska na proizvodnoj bušotini ili podešavanje sadržaja kisika u injektiranom plinu. Izgaranje je složena višestepena lančana reakcija. Primjeri utjecaja elemenata u tragovima na proces izgaranja, poznati su u svakodnevnoj praksi (korištenje olovnog tetraetila u benzinu). Dodatak male količine butana metanu znatno smanjuje temperaturu samozapaljenja, vjerojatno kroz povećanje slobodnih radikala koji djeluju kao za-četnici lančane reakcije (molekule butana su manje termički stabilne nego molekule metana). Promotori i inhibitori mogu biti efikasna sredstva u optimiranju RI. Inhibitori rezultiraju večim kanalima koji se sporije šire, dok promotori daju uže kanale veće brzine širenja. Pristupačne mješavine normalnog pen-tana i butana mogu dati djelotvorne, jeftine promotore izgaranja. HaIon plinovi također mogu biti djelotvorni inhibitori. Promotori posebno mogu biti djelotvorni u plitkim ležištima gdje postoji dovoljna prirodna propusnost, gdje je poželjno da RI napreduje brže smanjujući troškove. U pravolinijskim lancima zasićeni ugljikovodici, propan do normalnog heksana su potencijalna -familija promotera, budući su relativno jeftini. Općenito kako broj ugljikovih atoma raste u ovoj seriji, materija postaje manje termički stabilna i postaje više djelotvorna kao promotor izgaranja. Međutim, kako dužina lanca raste smanjuje se pritisak pare. Posljedica toga je smanjivanje količine promotora koju mogu ponijeti injek-tirani plinovi na datoj temperaturi i pritisku. Nije potrebno da promotor bude čista materija, u stvari mješavina butana i propana mogla bi biti najpogodnija. Upotrebu promotora i inhibitora treba ispitati kroz laboratorijske pokuse i, ukoliko se pokažu uspješnim, u terenskim pokusima. U disertaciji Dobbsa, sugerirana je nova metoda utjecanja na rast kanala upotrebom malih termospojki. Usmjereni rast kanala postiže se uslijed veće termalne provodnosti termospojke u usporedbi sa ugljenom. Viša termalna provodnost metalnih provodnika malog promjera usmjeriti će razvoj kanala povećanjem provodnosti topline iz zone izgaranja u zonu predgrijavanja. Povećanje brzine širenja gorivog fronta u blizini metalnih provodnika vodi lokalnom povećanju plinskog fluksa. Ovaj koncept usmjerenog kanalnog širenja treba provjeriti u laboratorijskim pokusima na modelima poraznih medija. Ukoliko laboratorijski pokusi budu uspješni, istraživački napor se treba usmjeriti na razvoj pogodne mikro-bušaće tehnike za ugradnju malih metalnih provodnika u ugljeni sloj. Znatni napori biti će potrebni za razvoj tehnike bušenja malog dijametra (5 do 20mm) na dužinu 3 do 20m od dna vertikalne bušotine.

22

4. PARAMETRI UTICAJNI NA POSTUPAK PUU

Podzemna upiinjavanje ugljena je kompleksan proces i nemoze se vjerno simulirati u laboratoriju. Modelske i laboratorijske studije daju odgovore na neke probleme ali se trebaju verificirati "in situ" eksperimentima. Razvoj znanstveno potvrđene tehnologije podzemnog upi injavanja zahtijeva detaljno proučavanje mnogobrojnih -fizikalnih i kemijskih -faktora koji učestvuju u procesu gorenja i stvaranja plina, uz akceptiranje geoloških i hidroloških prilika u ležištu. Parametre koji utiču na postupak PUU možemo podijeliti u dvije glavne grupe; prirodne i tehnološke.

4.1. PRIRODNI FAKTORI

Eksperimenti "in situ" pokazali su dominantnu ulogu geoloških i hidroloških osobina ugljena i pratećih stijena na postupak PUU. Najvažniji geološki faktori su kvaliteta i sastav (ili vrsta i rang) ugljena, elementi zalijeganja (debljina, pad i dubina) ugljenog sloja kao i njihove varijacije i odstupanja, struktura i sadržaj vode. Vitalni dio su fizičko-mehanička svojstva pratećih stijena, priroda sloma natkrivke i pokreta naslaga te prisutnost vode u stjenskom sklopu. Neke prirodne faktore možemo mijenjati stvarajući uvjete povoljnije za provođenje postupka PUU (propusnost, nivo podzemne vode) i to potpuno uklanjajući nastupanje negativnih činilaca ili djelujući na saniranje ili ublažavanje negativnih efekata njihovog djelovanja. Neke prirodne faktore nemožemo mijenjati u smislu uklanjanja i l i ublaživanja njihovog nepovoljnog djelovanja. U tim slučajevima, nemogućnosti intervencije, najbolje se uklanjati izvođenju postupka PUU, na lokacijama gdje egzistiraju faktori koji vitalno onemogućavaju izvođenje postupka PUU. Geološki uvjeti utječu dvojako; na tehniku povezivanja i na samu učinkovitost postupka. Povezivanje posebna otežava postojanje prelomnica i debljih jalovih uložaka unutar ugljenog sloja. Provedbu postupka PUU otežavaju debela nekompaktna krovina, raspucanost i razdrobijenost krovine. Prekid povezivanja na prelomnicama je posebno moguć, ukoliko su ispunjene nepropusnim puni lom. Također ukoliko je krovina prelomnica jako propusna tuda migriraju proizvedeni plin iz podzemnog upiinjača. Pri povezivanju usmjerenim bušenjem ograničene su mogućnosti brze promjene smjera bušenja, s obzirom na pukotine u prelomnim ravninama. Prelomnice ili pukotine u zoni paljenja pomiču mjesta paljenja i u nereaktivne naslage. Strukturni geološki elementi mogu imati slijedeće negativne efekte na postupak PUU:

- učinkovitost postupka smanjuje se gubitkom plinova u krovinu i rušenjem krovine u prostor upiinjača

- pukotine koje se šire iz ugljena u krovinu putevi su gubitaka plinova iz uplinjača

- slijeganje površine javlja se u slabo kompaktnoj kro-vini sklonoj savijanju - podpovršinsko slijeganje može prouzročiti povezivanje vise horizonata

podzemne vode - sistemi pukotina i prelomnice koje sežu do površine mogu zagaditi atmosferski

zrak (H2S, CO, primjer Rawlins, Wyoming>

Na potencijalnoj lokaciji za PUU potrebno je snimiti pukotinski sistem i eventualnu povezanost sa površinom, te litološki sastav krovine.

4.1.1. KVALITETA UGLJENA

Na kvalitetu i sastav ugljena nemožemo izvana utjecati. Ugljen koji se nadzemno ut i l iz ira u nadzemnim upiinjačima prethodno možemo podvrgnuti postupcima sitnjenja, -fizikalnog i kemijskog čišćenja (pa i biološkog uz pomoć mikroorganizama). Jasno da ovi pripremni postupci ne dolaze u obzir pri podzemnom uplinjavanju ugljena, posebice što se tiče -fizikalnog tretmana. Može se eventualno pomišljati na tretman kemijskim otopinama ili mikroorganizmima u cilju

23

snižavanja sadržaja sumpornih komponenti u ugljenu <zbog smanjenja onečišćenja plinovitih proizvoda sumpornim spojevima u smislu snižavanja troškova za njihovo uklanjanje), ali je to stvar istraživanja. Također stvar ispitivanja je dodavanje pojedinih mineralnih tvari u podzemni uplinjač u ci l ju katalitičkog djelovanja na proces PUU. Moguće je djelovati na fizičke osobine ugljena (poroznost, propusnost) raz l ič i t im tretmanima. Ugljeni niskog ranga pogodni su za upiinjavanje kako je to i iskustveno potvrđeno pokusima na Angrenskoj stanici i Moskovskom bazenu. Ligniti su povoljni zbog lake zapaljivosti i nemogućnosti stvaranja čvrstog koksa. Ugljeni visokovolatiInog sadržaja su također pogodni jer su lako zapaljivi i nemaju koksirajućih svojstava. U slučaju stvaranja koksa, začepi juju se propusni kanali, ukoliko nisu odgovarajućeg poprečnog profila. Antraciti dobro gore i daju visoko gorivu vrijednost, ali uslijed slabije propusnosti povezivanje se nemože izvesti filtracijskim metodama. Osim toga, antraciti se teško pale. Prethodna obrada antracita, primjerice hidrauličnim probijanjem, uz veći sadržaj vlage, poboljšava postupak. Povećani sadržaj pepela negativno utječe na upi injavanje; kalorička vrijednost proizvedenog pl ina opada, kraći je životni vijek tehnoloških bušotina i smanjuje se postotak uplinjenog ugljena. Gorenjem ili upilinjavanjem ugljena dobiva se pepeo i troska koji također sadrže izvjesnu količinu potpuno nesagorenog goriva. Jalovi ostatak se dijel i u trosku, pepeo i leteći pepeo (odnesen u proizvedenim plinovima). 4.1.2. MOĆNOST UGLJENOG SLOJA

Eksperimenti su dokazali mogućnost upi in javan ja tankih slojeva, ponekad i 0.lm debelih. Međutim, što je manja debljina sloja, manji je energetski potencijal i veći udio gubitaka topline u okolne naslage. Jalove interkalacije negativno utječu na stupanj uplinjavanja, budući blokiraju površine ugljena i priječe pristup kisika. U nekim slučajevima, debljina ugljenog sloja je takva da kalorična vrijednost ugljena i uvjeti prijenosa topline ne dozvoljavaju provedbu postupka upiinjavanja. Postoji minimalna debljina sloja za svaki rang ugljena (0.5 do 1.0m).

4.1.3. HIDROGELOGIJA LEŽIŠTA

Hidrogeloški -faktori imaju glavni utjecaj na začinjanje postupka PUU i kvalitetu proizvedenog plina. Smjer maksimalne propusnosti sloja koincidira sa smjerom glavnog sistema pukotina u sloju. U slučaju vodonosnosti i velike propusnosti ugljenog sloja mogući su gubici proizvedenog plina kroz ugljeni sloj i taloženje produkata pirolize (Hoe Creek). Potrebno je istražiti hidrološki režim (kretanje toka podzemnih voda) potencijalnog ležišta za PUU; ocijeniti propusnost ugljena, krovine i padine, protočni sistem u vodonosnim naslagama, usmjerenu propusnost i međusobnu povezanost vodohosnih naslaga. Korelacijom sa geološkim ocjenama, zaključujemo, da li se mogućim rušenjem krovine ostvaruje veza s višeležećim vodonosnim zonama, ili da sistemi prelomnica i pukotina posluže za migraciju vode. Prirodni sadržaj vlage mijenja se u širokom rasponu od 2-3% za antracite do 65% u lignitima. Kada se prateći slojevi zagriju, ugljeni otpuštaju vodenu paru u plameno čelo. Glavni izvor plavi jenja podzemnog uplinjača su vodonosne naslage u krovinskim slojevima. Pritok voda moguć je iz samog ugljenog sloja, iz slojeva neposredne krovine i iz naslaga više krovine. Proces isparavanje slobodne vlage iz stijena na temperaturi 125 do 150 °C, nastavlja se izdvajanjem kemijski vezane vode koji završava pri temperaturi 500-800 °C. Potrošnja energije za isparavanje vlage, bazirana na sadržaju vlage od 320-360 g/m, procjenjuje se na 12% energije oslobođene procesom gorenja. Prisutnost vode, do izvjesnog stupnja, pogoduje procesu uplinjavanja, budući stvorena vodena para omekšava ugljen, povećava kontaktnu površinu ugljika i kisika, te povećava sadržaj vodika u plinovitim produktima do 18-20%. Sumarno, slijedeće potvrđene činjenice se mogu iskazati:

- dotok manjih količina vode pozitivno utječe na upli-njavanje, obogaćenjem proizvedenog plina produktima razlaganja vode, vodikom i ugljičnim monoksidom

- suvišak vode smanjuje temperaturu uplinjača i obustavlja uplinjavanje - gorenje i uplinjavanje traži visoku temperaturu, koja se nemože održati u

24

poplavljenim ugljenim slojevima. Za pouzdan i stabilan proces upi injavanja nekog ugljenog polja potrebno je izvesti proračun vodene ravnoteže. U slučaju suviška pritoka vode moraju se poduzeti mjere odvodnjavanja ugljenog polja. Bušotine za odvodnjavanje nemogu se kombinirati sa tehnološkim bušotinama zbog malog dijametra i moraju se bušiti zasebno.

4.1.4. FILTRACUSKA SVOJSTVA

Napredovanje fronte gorenja zavisi od propusnosti ugljenog sloja. Za poboljšanje procesa gorenja poželjno je, a ponekad i neophodno, primjeniti visoke pritiske koji otvaraju makro i mikro pukotine u ugljenu. Pritisci se mogu razviti djelovanjem vode (hidaulički) ili zraka (pneumatski). Filtracijska svojstva mogu se ilustrirati činjenicom da se plinoviti proizvodi uplinjavanja otkrivaju, čak i kod niskih pratećih procesnih pritisaka (200-300kPa) , na udaljenosti od desetke metara, u nekim slučajevima i do 500-800m, od mjesta gorenja. Plinska propusnost ugljena je obično veča od vodene za 100 do 300 puta. Grijanje lignita značajno smanjuje propusnost posebno u sprezi sa odvodnjavanjem. Propusnost ugljena je do 40 puta manja u temperaturnom području 100-500°C, u odnosu na temperaturni rang do 100°C. Propusnost paralelno slojevitosti je 1.5 do 2 puta veča nego okomito na slojevitost (pružanje). Iz praktičnog iskustva komprimiranim zrakom zna se o prolazu zraka na velike udaljenosti čak u slučaju neporemećenih ugljenih slojeva. Kretanje zalutalih struja zraka primjećeno je u poremećenim pratećim naslagama (slijeganje neposredne krovine ili cijelog stupca natkrivke) ili u cjeloj dužini kanala uplinjavanja. U oba slučaja zračna struja ne dolazi u kontakt sa površinom plamenog čela, te sagorjeva proizvedeni plin u proizvodnoj bušotini. Iskustva PUU pokazuju da pri relativno niskom primjenjenom procesnom pritisku i sa povoljnim indeksom plastičnosti naslaga u natkrivci , gubici plinova iznose 10%. U gorim uvjetima gubici iznose 20-30%, ometajući uplinjavanje, smanjujući pritisak i brzinu zračne struje. To znači da pri relativno malim dubinama, u slabim i tanko uslojenim naslagama, tehnika PUU pod pritiskom nije obečavajuća, primarno kao posljedica gubitaka plinova u masivu. Kod propuštanja plinova, vode u natkrivci, biti će neminovno zagađene. Budući se uplinjeni prostor zapunjava troskom može se smatrati praktički nepropusnim. Troska eliminira dotok upuhavanog zraka i proizvedenog plina u uplinjeni ugljen. Propusnost pepela, napredovanjem zbijanja, brzo se smanjuje, tako da zbijanje pepela regulira preraspodjelu puteva upuhavanog i proizvedenog plina. Plinska propusnost zbijenog pepela je 500 puta manja nego propusnost pijeska. Ugljen, u pravilu, ima kapacitet propuštanja za razred veći od pratećih stijena. Okružujuće stijene su nisko propusne, iako visoko porozne, pa mogu imati veliki plinski kapacitet, tak i pri atmosferskom pritisku, plinsko prodiranje je štetno i riskantno, posebno zbog pokreta stijena i rezultirajućih pukotinskih veza. Poznata je da je ugljen na većoj dubini više zbijen i posjeduje slabija propusna svojstva što je nepovoljno za upiinjavanje.

25

Propusnost zavisna o naprezanju

4.2. TEHNOLOŠKI PARAMETRI

Općenito prihvaćene zone u podzemnom upiinjaču analogno tehnologiji nadzemnog uplinjavnja su zona oksidacije, zona redukcije, zona pretvorbe ugljičnog monoksida, zona suhe destilacije i zona sušenja ugljena (Sl.4.4.). Pretvorba ugljičnog monoksida smanjuje kaloričnu vrijednost proizvedenog plina u usporedbi sa nadzemnim uplinjačem, za 0.6 do 0.8 MJ/Nm . Mješavina plinova kreće se uzduž crveno užarene površine ugljena i mijenja svoj sastav. Kisik, porijeklom iz upuhancg zraka i od razlaganja vode, neprekidno se troši i gotovo nestaje stvarajući uoljični dioksid i monoksid. Razvijena toplina zagrijava plinove (1400-1500°C) i površinu ugljena (800-900°C) i utječe na reakcije redukcije. Reakcije redukcije uzimaju toplinu i temperatura se značajno smanjuje. Kinetika stvaranja plinova zavisi o stupnju upuhavanja uplinjavajućih agenasa, o difuziji oksidanata iz kanala u zonu reakcije, absorpciji kisika i stvaranju i razgradnji kompleksa ugljik-kisik.

4 . 2 . 1 . U p 1 i nj a v a j u ć i a g e n s i Sastav i kalorička vrijednost dobivenog plina zavise o geološkim uvjetima zalijeganja ugljenog sloja, kvaliteti ugljena, sastavu i količini upiinjavajućih agenasa i tehnološkom vođenju postupka. Upravljanje procesom upiinjavanja i održavanje kaloričke vrijednosti dobivenog plina u zadanim parametrima izvodi se mijenjanjem količine i sastava upiinjavajućih agenasa i drugim tehnološkim zahvatima. Kao upiinjavajući agensi koriste se zrak, zrak obogaćen kisikom i vodena para. Utječe se na brzinu reakcije, na količinu , sastav i kaloričku vrijednost dobivenog plina i širinu zone zahvaćene upiinjavanjem. Zrakom u uplinjač ulazi i balastni, inertni dušik, pa moramo dopremiti veće količine zraka, a dušik učestvuje i u proizvedenom plinu smanjujući mu kaloričku vrijednost. Teoretska kalorička vrijednost plina, u tom slučju, nemože biti veća od 4.2 HJ/Nm3 . Kalorička vrijednost povećava se dodavanjem zraka obogaćenog kisikom do maksimalno 7.3 MJ/Nm3.

26

Učinkovitost PUU znatano zavisi o aerodinamičkim karakteristikama upuhanog zraka i plinova u upiinjaču. Na granici turbulentnog toka i čvrste stijenke ugljena stvaraju se vrtlozi. Stupanj izgaranja i stvaranja plina određen je oblikom i veličinom poprečnog presjeka kanala upiinjavanja. Kisik, čak i u vrtlozima, samo djelomično reagira sa površinom ugljena. Dio kisika prolazi prema proizvodnoj bušotini, gdje reagira sa gorivim komponentama plina, smanjujući mu kaloričnu vrijednost. Analize su pokazale da obustavljanje upuhavanja povećava sadržaj vodika za 30-40% pa čak i do 65%. U Kuznjeckom bazenu provađani su pokusi dodavanjem vodene pare upuhavanbm zraku u prosječnoj koncentraciji 150-200g/Nm* . Sadržaj vodika u proizvedenom plinu povećao se sa 10% na 18-20%.

4.2.2. I nj e k c i o n i p r i t i s a k

Razlikujemo pritiske kod uspostavljanja veze između bušotina (pneumatsko, hidraulično ili reversno povezivanje) i injekcioni pritisak u fazi upiinjavanja. Uplinjavanje provodimo pri niskim (3-60 bara) , srednjim (6(3-200 bara) i visokim pritiscima (200-500 bara). Minimalni injekcioni pritisak limitiran je minimalnim naprezanjem u stjenskom masivu . Maksimalni injekcioni pritisak koji možemo primjeniti određen je veličinom maksimalnog hidrostatskog pritiska (približno lbar za svakih 10m dubine). Izjednačenjem ovih pritisaka postiže se ravnoteža između pritiska plinova u uplinjaću i pritisaka plinova koji su postojali u ležištu (voda, CH4 , COj ). Preveliki narinuti pritisak može dovesti do povećanog gubitka upiinjavajućih agenasa i proizvedenog plina- u krovinske naslage i uzduž sloja. Sa druge strane podešavanjem pritiska spriječava se preveliki pritok vode iz višeležećih vodonosnih horizonata u zonu upiinjavanja (ispitano u US pokusima). Primjena visokopritisnog uplinjavanja u plićim ležištima je rizična i ograničena zbog povećane mogućnosti gubitaka plinova. Primjena većih pritisaka omogućuje korištenje majih dijametara tehnoloških bušotina i manje brzine upiinjavajućih agenasa. Povećani pritisci povljno utječu na proces uplinjavanja, brzinu širenja -fronte gorenja i kaloričku vrijednost proizvedenog plina (povećani sadržaj metana). 4.2.3. Razvoj šupljine podzemnog uplinjača

PUU ne zahvaća samo proces gorenja i stvaranja plinova, konačni sastav i stupanj upiinjavanja ugljena, već mijenja i status pratećih naslaga. Otkopavanja u Lisičanskoj stanici otkrila su promjene u svojstvima naslaga bočno smještenih, uglavnom se radilo o glinama sličnim šelovima i pjeskovito-glinovitim šelovima. Djelovanjem visoke temperature naslage se tale, tj. guste anizotropne naslage se prevode u poraznu kvazi-izotropsku masu. Raste volumen naslaga, što dovodi do neke vrste samoukiještenja Csamonošenja) uplinjenog prostora. Troska tijesno ispunjava uplinjeni prostor, prazni prostori ukoliko postoje su mjestimični, i nisu povezani. Pretpostavlja se da su šupljine, u stvari, ostatak upi injavajućih kanala pokrivenih komadima slomljenih i ispečenih naslaga. Naslage koje okružuju ugljeni sloj, posebno u natkrivci, mjenjaju fizička i mehanička svojstva i, ponekad, čak i agregatno stanje. Glinovite naslage, primjerice, sklone su talenju, šire se u volumenu, i tijesno ispunjavaju izgoreni prostor, tako da se stvara zaobilazna struja upuhavanog zraka i plinovi se stvaraju u području pukotina višeležećih partija slojeva. Promjene u agregatnom stanju naslaga (omekšavanje, pečenje, talenje) zavisi o temperaturi i sastavu naslaga. Najveće promjene zbivaju se u natkrivci ugljenog sloja. Podinske stijene nisu toliko pod djelovanjem visoke temperature i stoga ne prolaze zamjetni je promjene fizičkih i kemijskih svojstava. Slom stijene iznad prostora upiinjača uzrokuje prodore u hermetičnost. Rezultat je, povećano gubljenje upuhanog zraka i proizvedenih plinova, toplinski gubici u prateće naslage i vrtložne struje koje mogu potpuno prekinuti postupak upiinjavanja. Otvaranje pukotina može otvoriti puteve za pritok vode iz višeležećih akvifajera u kanal uplinjavanja i uzrokovati prekid. Na drugoj strani, jednoliko zapunjavanje uplinjenog prostora stijenama koje si i ježu i zbijanje rahlog pepela doprinosi usmjeravanju kretanja upuhanog zraka i proizvedenih plinova, stabilizira sastav proizvedenih plinova i poboljšava stupanj uplinjavanja ugljenog resursa. Praktično je nemoguće kontrolirati stjenski pritisak hotimičnim rušenjem krovine prema nekoj unaprijed određenoj tehnologiji. Samo dugotrajno iskustvo može dati odgovore na ova pitanja. Zapravo je nemoguće izbjeći, posebno u prvoj fazi, nekontrolirano spontano zarušavanje krovine i pokrete stijena, a time se dovodi u pitanje integritet zone reakcija. Izuzetak mogu biti, relativno plastične naslage, koje lagano si i ježu zagrijavanjem. Nada je u pronalaženju plastičnih zona na većim dubinama, u mirnim područjima, bez tektonskih elemenata, ili da se stijenske mase

27

samouk- 1 i jeste, na dubinama većim od 300m. Postoji mogućnost zapunjavanja otvorenog prostora upi injača u cilju kontrole stijenskog pritiska. Pokušaj sa suhim pijeskom propao je zbog začepljivanja prolaza između vertikalne bušotine i horizontalnog kanala. Eksperimenti su vršeni i sa vlažnom glinom, koja je ubacivana muljnim pumpama (Lisičanski basen, Moskovsko područje, 1964/65.). U tom pokusu dio ugljena je uplinjen sa prosječnom kaloričnom vrijednošću 0.8 do 1.25 MJ/m3. Poslije upumpavanja gline, aerodinamički otpor u upiinjaču je porastao a time i kalorična vrijednost na 2.08 MJ/m3. Daljnjim upumpavanjem gline dostignuta je kalorična vrijednost od 4.17 MJ/m3 . U Lisičanskom bazenu sloj ugljena je nagnut i mokra glina prirodno zauzima niže dijelove upiinjača. U stanici Moskovskog bazena uvjeti sloja su složeniji, sloj je 2.5m debeo, horizontalan. Postojala je bojazan da glina preplavi plamena čelo. Međutim dobiven je oštar skok kalorične vrijednosti plina na 3.3 MJ/m3 . Pokazalo se da glina smanjuje površinu poprečnog presjeka kanala uplinjavanja, smanjujući rasipanje struje upiinjavajućih agenasa i poboljšava kvalitetu proizvedenog plina. Udvostručena je količina uplinjenog ugljena po bušotini. Na taj način može se smanjiti broj potrebnih bušotina i značajno smanjiti gubitke zraka i plina (15). Dubina drobljenja akumuliranog pritiska ispred platnenog čela u ugljenom masivu zavisi o padu i vremenu djelovanja ovih sila. Sto je sloj strmiji utjecaj je manji, a gubi se kod vertikalnih slojeva. Za razliku od nadzemnog uplinjača gdje je geometrija reaktora prilagođena procesnim parametrima, razvoj šupljine podzemnog uplinjača je posljedica djelovanja prirodnih datih činilaca; sloma krovine, raspodjele toka uplinjavajućih agenasa kroz netaknuti ugljen, pepeo, trosku, ugljeni ostatak i stjensko kršje i pouzimanja stijenki ugljena. Veličina i oblik šupljine uplinjača je važan ekonomski parametar PUU. Troškovi bušenja su dominantni u odnosu na ostale i glavna težnja je usmjerena na povećanje količine uplinjenog ugljena po metru bušenja. Važnost povećanja širine zahvaćanja uplinjača raste sa dubinom zalijeganja i moćnošću ugljenog sloja. Razvoj šupljine uplinjača razlikuje se zavisno o uvjetima zalijeganja slojeva:

- plitki, tanki, horizontalni i blago nagnuti - plitki, debeli, horizontalni i blago nagnuti - strmi - duboki, horizontalni i blago nagnuti

Pokusi "in situ", praćeni laboratorijskim ispitivanjima i modeliranjem, vođenim od strane LLL <Lawrence Livermore Laboratorv) uz podršku DOE (DEpartment of Energv), na opitnim lokacijama Hoe Creek (Wyoming), Centralia (Ulashington) i nedavno završeni Rocky Mountain I dali su mnoštvo podataka za razumijevanje mehanizma rasta geometrije uplinjača u plićim i debljim ležištima (40). Razvoj uplinjača je lateralno aksijalno (osovina je spojnica tehnoloških bušotina) simetričan i ima kruškolik oblik (SI.4.17.). Najuticajniji parametar na rast uplinjača je razdvajanje injekcionog toka kroz različite zone uplinjača. U razvoju uplinjača uočavaju se dvije -faze. U prvoj fazi raspodjela toka kisika kroz pepeo i ugljeno kršje direktno utječe na pouzimanje stijenki ugljena u krovu i bokovima. Razlike u mehanizmima prijelaza topline u bokovima (prijelaz topline konvekcijom između ugljenog ostatka i ugljena,termomehanički slom isušenog, pirol iziranog ugljena) i krovini između -faza ugljeni ostatak-praznina-ugljen (prijelaz topline zračenjem) rezultira različitim brzinama pouzimanja dajuči omjer vertikalno/ horizontalno veči od 1.

28

Geometrija uplinjača u plitkim ležištima

Mehanizam rasta šupljine u osnovi se mijenja kada u vrh šupljine počinje pritjecati inertna natkrivka. Kontinuirani dotok kisika u svod šupljine sagorjeva gorivi plin koji pritječe iz bokova značajno smanjujući njegovu kaloričnu vrijednost. Međutim, visoka temperatura razvijena u središtu upiinjača, tali stjensko kršje i zaprečava prolaze. Otkopavanjima je utvrđena značajna razlika u propusnosti ugljenog ostatka na bokovima upiinjača i stjenskog kršja u središtu uplinjača. Posljedica je lateralno širenje uplinjača uz dobru kvalitetu plina (SI. 4.18a. i b.).

29

SU.18. Razvoj šupl j ine uplinjača u p l i tkom i debelom sloju

Ukoliko propusnost sredinom upiinjača ostane visoka u usporedbi sa rubnim dijelovima, uplinjavajući agensi ne pritiču u zonu ' reakcije, posljedica čega je sagorjevanje proizvedenog plina na izlazu uplinjača, i drugo, neširenje geometrije uplinjača. Posljedica toga su dva koncepta upiinjavanja; kanalno i ■filtraci jsko (SI. 4. 19.).

SI.U. 19. Dva koncepta uplinjavanja

30

U tankim, plićim ležištima slika razvoja uplinjača je slična onoj za debele slojeve, izuzev prve faza r-azvoja uplinjača koja izostaje ili je zanemariva. Smanjenje propusnosti stjenskog kršja u sredini uplinjača posljedica je taljenja stijena i zbijanja uslijed pritiska natkrivke, što se pojačava sa dubinom. Djelovanje gravitacije je značajno za razvoj uplinjača u strmim slojevima. šupljina raste periodičkim rušenjem gromada ugljena u osnovicu uplinjača, sa konačnim -formiranjem posteljice ugljenog kršja. Slom krovine je ograničen kontinuiranim pritokom zarušenog ugljena <S1.4.20.)

SI.I*.20. Razvoj šupljine uplinjača u slrmim slojevima

Na velikim dubinama <>300m) tok uplinjavajućih agenasa nemoSe probiti zonu ugljenog ostatka oko proizvodne bušotine što rezultira lateralnim širenjem geometrije uplinjača (pokusi u Princetownu i Thulinu, Sl.4.21.).

Sl.4.21. Razvoj šupljine uplinjača na većim dubinama

31

Na razvoj šupljine utječe raznolikost uvjeta koji vladaju u upiinjaču:

- raspodjela i preraspodjela upiinjavajućih agenasa u upi injaču tijekom procesa upiinjavanja

- stupnja pouzimanja bokova uplinjaca zavisno o topiinsko-masenoj izmjeni

- ponašanju krovine i stabilnosti stijena - kemijsko-kinetičkom procesu upiinjavanja - kontroli geometrije uplinjaca

Od navedenih faktora uticajnih na razvoj uplinjaca znanstvenici su procijenili da primarni značaj ima raspodjela toka uplinjavajućih agenasa. Uplinjavajući agensi prodiru kroz zone različite propusnosti. Na propusnost utječu:

- prirodna fizička obilježja kao što su poroznost, škriljavost, zasićenost vodom, ugljičnim dioksidom i metanom.

- termičke promjene sušenjem, pirolizom i taljenjem - raspodjela naprezanja uključujući litostatska, termička, strukturalna (uslijed

stvaranja praznih prostora) i pritiske fluida.

Ponder uticajnosti nekog faktora mijenja se zavisno o obilježju uplinjaca.

32

5. METODE PODZEMNOG UPLINJAVANJA UGLJENA Korištenje prirodnog sklopa ugljenog sloja kao reakcijske posude i l i podzemnog uplinjača. Veza sa površinom i l i otvaranje podzemnog uplinjača ostvaruje se:

- bušotinama - podzemnim rudarskim prostorijama, - kombinirano bušotinama i podzemnim rudarskim prostorijama.

Pri tome, kao i kod konvencionalne podzemne eksploatacije, moraju postojati barem dvije veze ležišta sa površinom. Injekcijska bušotina ⇒ ubacuju se p l inovi t i agensi u podzemni uplinjač a drugom, proizvodna bušotina ⇒ dobivaju se gorivi p l inov i na površinu. - veza između injekcijske i proizvodne bušotine, - postrojenje za pročišćavanje proizvedenog plina ⇒ veličina i jedinice postrojenja ovise o sastavu proizvedenog pl ina kao i tehnološkom postupku u kojem se iskorištava proizvedeni plin. -postrojenje za proizvodnju kisika ukoliko se koristi kao uplinjavajući agens. Prednost podzemnog nad nadzemnim uplinjavanjem: -izbjegavanju podzemne rudarske eksploatacije, -el iminaci ja potrebnih troškova i investicija, - nema ulaganja u izgradnju nadzemnog postrojenja za uplinjavanje, - zaštita okoliša ⇒ pri nadzemnom uplinjavanju potrebno je rješiti probleme vezane uz zagađenje zraka i odlagališta pepela.

- nije potrebno rješavati iznalaženje lokacija odlagališta, - nema transport pepela do odlagališta. - zagađenje atmosferskog zraka je znatno manje.

Predmet ekoloških istraživanja:

- utjecaj proizvoda stvorenih podzemnim uplinjavanjem ( npr. katrana) na zagađenje podzemnih voda i mogućnosti spriječavanja zagađenja,

- utjecaj šupljine podzemnog uplinjača na slijeganje višeležećih naslaga i površine terena.

KLASIFIKACIJA METODA PUU Kao i kod klasifikacije metoda podzemne eksploatacije mineralnih sirovina teško je pronaći univerzalni kriterij koji bi dao potpuno zadovoljavajuću preglednu sliku metoda. U ovom pregledu vrhovni kriterij je način pristupa ležištu a na nižem nivou uvjeti zalijeganja sloja; pad odnosno debljina sloja, Nije dat pregled svih dosad realiziranih metoda i postupaka podzemnog uplinjavanja ugljena. Iskazana su karakteristična i neka originalna rješenja, za specifične prilike. Kao perspektivne i tehnički najpouzdanjie ističu se metoda povlačenja injekcijske točke i metoda fi1tracije

Podjela postupaka i metoda PUU može se izvršiti na osnovu više klasifikacijskih kriterija:

33

1. obzirom na dubinu zalijeganja sloja a. uplinjavanje plitkih ugljenih slojeva b. -•"- dubokih -"•- -"-

2. obzirom na pad sloja a. uplinjavanje horizontalnih i blago nagnutih slojeva b. -"- strmih slojeva

3. obzirom na način pristupa ležištu a. izradom podzemnih prostorija b. izradom bušotina sa površine c. kombinirana izvedba izradom podzemnih prostorija i bušenjem bušotina

KLASIFIKACIJA METODA PUU PO NAČINU OTVARANJA METODA PUU IZRADOM PODZEMNIH PROSTORIJA Metode podzemnog uplinjavanja ugljena iz rudarskih podzemnih prostorija vezani su uglavnom za početke razvoja ove tehnologije. Danas imaju gotovo povijesni značaj. Pokusi koncem četrdesetih i tijekom pedesetih godina XX stoljeća (Pokusi u SSSR-u, Itali j i , Belgiji, Francuskoj i V.Britaniji). U novije vrijeme, sedamdesetih i osamdesetih godina gotovo i nema primjera realizacije koncepta podzemnog uplinjavanja izradom podzemnih rudarskih prostorija. U SAD otkada se započelo sa opsežnim programom pokusa "in situ" nije zabilježen ni jedan takav primjer. Koncept takvog pristupa ležištu je prevaziđen i tendencije su ostvarenja komunikacije sa ležištem izradom bušotina sa površine

34

Karakteristični primjer ove metode izveden je u gorlovskoj stanici, SSSR, 1934. godine, pad vodstvom Instituta za kemiju ugljena u Donjecu. Pa padu strmog sloja izrađuju se dva razmaknuta niskopa koji se na dnu povežu hodnikom-uplinjavajućim kanalom u kojem se formira gorivi front sa uskopnim napredovanjem Slični pokusi izradom podzemnih rudarskih prostorija izvođeni su u Maroku, ležište Jerade (1945-1947), Belgiji u ležištu " Verisseau" , te u Italiji u ležištima. "Valderno" i "Tema". Eksperimenti u ležištima "Verisseau" i "Tema" obustavljeni su zbog eksplozije plina. Karakteristično za sve opite da je dobiven niskokalorični plin kada je upuhavan zrak. Kaloričke vrijednosti plina su povećane upuhavanjem kisika i l i zraka obogaćenog kisikom.

METODA INDUKCIONOG ZAGRIJAVANJA

Metoda je ustvari postupak suhe destilacije (pirolize) ili devolati1izacije ugljena pri relativno n i ž i m temperaturama.

Pogodna je za plića i deblja ležišta, horizontalna ili blago nagnuta.

Priprema: - izrada vertikalnog centralno smještenog kontrolnog okna i

- vertikalnih bušotina u koncentričnim, vanjskim i unutarnjim krugovima.

Iz kontrolnog okna radijalno, u podini i krovini, rade se 1000m dugi hodnici, koji povezuju unutarnji i vanjski krug bušotina (24 u svakom krugu). Radijus unutarnjeg kruga je 100m.

Električnim provodnicima kroz hodnike i vertikalne bušotine opaše se ugljeni sloj. Izmjenična struje stvara jako magnetsko polje. Volatilne komponente, ugljikovodici i katrani, izdvajaju se pri 600-800°C. Front gorenja - tanka cilindrična ljuska širi se od unutrašnjih prema vanjskim bušotinama. Specifično zagrijavanje ugljena pada porastom temperature. Električna provodljivost ugljena u području pirolize povećava se eksponencijalno sa temperaturom. Ukoliko ne dođe do stvaranja gorive fronte predviđeno je progušćenje mreže jednim ili više koncentričnih krugova vertikalnih bušotina.

Pojedini krug bušotina se dvaputa koristi: jednom kao unutrašnji drugi puta kao vanjski.

35

Za provođenje postupka potrebna velika energija; 9.8 miliona MWh, snage 375 MW. Količine zahvaćene projektom iznosile su 28 mil. tona, predviđeno trajanja tri godine.

Investicijska ulaganja procjenjena na 40 mil. US $, troškovi operativnog održavanja kroz 3 godine 120 mil. US $. Vrijednost, dobivenog plina i katrana procjenjena na milijardu US $.

Nakon postupka destilacije u ležištu ostaje 34% težinskih dijelova ugljenog ostatka (chara) i oko 7.6% pepela i druge neorganske materije. Dovođenjem zraka i vode može se upliniti ugljeni ostatak. Dobije se plin niske gorive vrijednosti čime se poboljšava ekonomičnost postupka (UGCC-Underground Gasification of Coal Char). Cijena dobivene energije bila je 0.006 US dolara/KWh i 64% niža od cijene energije dobivene drugim postupcima PUU.

METODA POVEZANIH VERTIKALNIH BUŠOTINA Jedna od prvotnih i shematski najjednostavnijih metoda PUU. Metoda povezanih vertikalnih bušotina (LVW-Linked Vertikal Wells) priprema se izradom vertikalnih bušotina i njihovim povezivanjem. U podzemnom uplinjaču dobije se slika rasporeda zona slična onoj u nadzemnom up1injaču.

36

METODA PROŠIRENE KANALNE VEZE BUŠOTINA Predstavlja u stvari modificiranu prethodne metode. Priprema se sastoji u izradi vertikalnih bušotina (proizvodne i injekcione), te proširenja veznog kanala, ponajprije reversnim gorenjem. Metoda je tehnički ispitana za širinu uplinjača do 30m, u većini pokusa do 20m. U Hanni, Wyoming (40), tokom 100 dana (Rockv Mountain 1-,Test Program, studeni 1987-siječanj 1988.) provođen je eksperiment sa simultanim isprobavanjem dvije tehnologije PUU; metode proširene kanalne veze (ELW, Extended Linked Wells) i metode povlačenja injekcione točke (CRIP-Control led Retracting Injection Point)(23). ELW modul radio je tokom 45 dana i ugljen je uplinjen pri razmaku, bušotina od 30m. Prijenos uplinjavanja na narednu bušotinu nije uspio.

METODA U STRMIM SLOJEVIMA

U pripremi se izrađuje serija vertikalnih i kosih bušotina za uvođenje uplinjavajućih plinova u ugljeni sloj. Kose bušotine u sloju služe za odvođenje proizvedenih plinova. U zoni U zoni uplinjavanja izrađuju se bunari za odvodnjavanje.

37

UPLINJAVANJE STRMIH UGLJENIH SLOJEVA

1 Vertikalne in jekc i j ske bušotine 2 Bušotine za odvodnjavanje 3 Kose injekcijske b u š o t i n e 4. Kose proizvodne bu šo t i ne u ugljenom sloju

Bilans vlage u uplinjaču zavisan od sadržaja vlage u injektiranom plinu, ugljenom sloju, pratećim stijenama i protočnih količina vode, utječe na ogrjevnu vrijednost i sastav proizvedenog plina. Kalorična vrijednost proizvedenog plina smanjuje se sa smanjenjem debljine ugljenog sloja. Fronta gorenja razvija se odozdo prema gore, udaljava se od linije uvođenja zraka, smanjuje se tok zraka kroz gorivu frontu a adekvatno tome i kalorična vrijednost proizvedenog plina. Uplinjavanje strmih slojeva ekonomičnije od uplinjavanja horizontalnih i blago nagnutih slojeva. ŠIROKOČELNA METODA PODZEMNOG UPLINJAVANJA ("LONG WALL")

Priprema se sastoji u izradi serije paralelnih usmjerenih bušotina (vertikalnih, kosih i horizontalnih). Proces uplinjavanja je protočni i l i fi1tracijski. Smjer širenja fronte gorenja je istosmjerni i l i protusmjerni .

Postaje dva koncepta metode, jedan razvijen za istočna a drugi za zapadna ugljena ležišta u SAD.

Istočni koncept u okviru, programa MERC (Morgantown Energv Research Centar) poznat je kao "Coflow" koncept uplinjavanja.

38

Širokočelni uplinjač - istočni koncept

Uplinjaču se pristupa sa dvije horizontalne usmjerene bušotine 150m dugačke, razmaknute 30m, na krajevima kojih su vertikalne proizvodne bušotine. Centralno je smještena injekcijska bušotina. Usmjerene bušotine se spajaju poprečno po sloju i otuda kreće gorivi front u smjeru proizvodnih bušotina.

ŠIROKOČELNI UPLINJAČ - ZAPADNI KONCEPT

U zapadnom konceptu jedan red horizontalne usmjerene i vertikalne bušotine služi kao injekcijski a naredni za odvođenje proizvedenih plinova. Sirenje fronta gorenja je od jednog reda bušotina prema drugom.

39

METODA KONTOLIRANOG POVLAČENJA INJEKCIJSKE TOČKE

Iskustva stečena u eksperimentu vođenom od Lawrence Livermore National Laboratorv na ležištu Hoe Creek, Wyoming, dovela su da formuliranja novog koncepta PUU, metode kontroliranog povlačenja injekcione točke (CRIP-Control1ed Retracting Injection Point).

Uplinjavajuči agensi se zacijevljenom usmjerenom bušotinom uvode u ugljeni sloj a proizvedeni plinovi odvode vertikalnom bušotinom.

Ugljen se pali na kratkoj udaljenosti od produkcione bušotine pri podini sloja i proces uplinjavanja teče dok šupljina uplinjača ne dohvati krovinske stijene i kalorična vrijednost proizvedenog plina počinje smanjivati. U tom trenutku injekciona točka se povlači u netaknuti ugljen, koji se ponovo pali i cijeli postupak se ponavlja.

Ovisno o uvjetima manevar se može ponoviti nekoliko puta.

Metoda PUU kontroli ranimpovlačenjem injekcijske

40

6. STATUS PUU U SVIJETU Najviše istraživanja PUU izvođeno je u bivšem SSSR-u, SAD i u Europi.

SSSR U SSSR-u su provedeni prvi pokusi PUU (1933.), dva na l igni t ima i jedan u antracitima Podmoskovskog bazena, te dva pokusa u Donjeckom bazenu. U ležištu Donbas, (1933.) započeli su pripremni radovi na gorlovskoj stanici, a 1935. ostvaren je prvi postupak PUU u svijetu. Prvim pokusima imitirana je tehnologija nadzemnog uplinjavanja → otvaranje podzemnim prostorijama i frakturiranje eksplozivom. Gorlovska stanica reprezentira prvu fazu razvoja tehnolgije uplinjavanja → ispitivanje tehnika i metoda. U drugoj fazi istraživana je pouzdanost uplinjača, sa kontinuiranim procesom uplinjavanja, bez prethodnog rudarskog tretiranja ugljenog sloja. Već četrdesetih godina smatralo se skupim otvaranje podzemnih uplinjača rudarskim prostorijama uz puno rada. Teško je osigurati hermetičnost uplinjača i stabilnost postupka uplinjavanja. U Donjeckom, Kuznjeckom, Podmoskovskom, Dnjeprovskom i Angrenskom bazenu ukupno je realizirano pet proizvodnih i dvije opitne stanice.

SOVJETSKE STANICE PUU

Kao uplinjavajući agens većinom je korišten zrak. Zrak obogaćen sa kisikom korišten je u Lisičanskoj stanici (Donjecki bazen) - 25% stvorene topline gubilo se na isparavanje slojne vode. Veća količina kisika održava termičke uvjete potrebnih za odvijanje postupka. Probalo se u razl ič i t im geološkim p r i l i ka ma i vrstama ugljena moćnosti 0,8-22m, dubine zalijeganja 30-350m, sadržaja pepela između 2,3 i 34,3%, ogrjevne vrijednosti između 7,95 i 30.64 MJ/kg. Uplinjeno je oko 14 mi1. tona i dobiveno preko 40 mld Nm3 plina. Pl in je korišten u termoelektranama, toplanama i kemijskoj industriji. Prinos plina, zavisno o kaloričnoj vrijednosti ugljena varira između 1.5 i 5.5 Nm3/kg ugljena. Američka firma "Texas Uti l i t i s Inc." kupila je 1975. licencu PUU i primjenila je na teksaškim lignitima. U P o d m o s k o v s k o j stanici primjenjeno je fi1tracijsko uplinjavanje i hidrauličko

41

frakturiranje. Dobiveni plin koristio se u kotlarnicama grada Tule. Prečišćavanjem plina od sumpornih spojeva dobiveno je 22000t sumpora, i 47000t hiposulfita. Stanica je zatvorena 1964. godine nakon 24 godine neprekidnog rada, zbog iscrpljenja rezervi. Danas su u SSSR-u dvije stanice u funkciji; Južno-Abinska i Angrenska. J už n o - A b i n s k a stanica u strmim slojevima (50-60° ) kamenog ugljena srednje (1.8-3.0m) i veće (8.0-9.0m) moćnosti, na dubinama do 350 m. Plin, u krugu 15-20km, koriste industrijski pogoni grada Kiseljovska. Proizvede se maksimalno 70000 Nm3/h plina. Postignuta je maksimalna godišnja proizvodnja od 450 mi1iona Nm3 (uplinjeno 190000t ugljena). Korišten je komprimirani zrak, niskog pritiska od 25 bara, srednjeg pritiska do 80 bara i visokog pritiska do 500 bara. Temperatura proizvedenog plina pri izlasku na površinu doseže 700 °C. Primarno se hlađenje izvodi u bušotinama, špricanjem vode. U kaskadnim skruberima p l in se dalje hladi, čisti od katrana i prašine i oslobađa suviška vodene pare, prije isporuke potrošačima. Utvrđeno je da vitalnu ulogu u procesu uplinjavanja ima vodena para ovisno o načinu kako se pojavljuje na plamenom ćelu. Udjel vodika dvostruko premašuje normalni nivo, zbog razlaganja vodene pare. U toku rada stanice razvijena su tri uplinjačke jedinice koje su radila sa različitim uspjesima.

PROIZVODNI REZULTATI STANICA PODZEMNOG

UPLINJAVANJA U SSSR-u

Prosječni godišnji proizvodni parametri stanice: - proizvedeni p l i n 280 mi 1 . Mm3 - kalorička vrijednost 3.79 MJ/Nm3 - uplinjeno ugljena 66100 tona - stupanj iskorištenja uplinjavanog ugljena 43.4% - odnos proizvedenog i projektiranog kapaciteta 56.0%

A n g r e n s k a stanica - uplinjavanja lignita veće moćnosti (6-20m), utvrđivana je ekonomičnost korišćenja p l ina u termoelektranama. Ukupne utvrđene rezerve su 20 mi1. tona od toga je samo 12 mi1. tona pogodno za uplinjavanje. Slojevi su karakterizirani niskom vodnom saturacijom i propusnošću. Višeležeći vodeni horizont je odvojen od lignitske formacije vodonepropusnim naslagama, 60-100m debelim. Nije bilo potrebno odvodniti ugljeni sloj kao ni višeležeće vodonosne horizonte. Primjenjuje se usmjereno bušenje za povezivanje (dužine bušotina do 650m). Pritisci povezivanja bušotina iznose 300 do 600 bara. Pritisci uplinjavanja su niski između 20 i 60 bara. Maksimalna godišnja proizvodnja

42

iznosila je 1.41 milijardi Nm3 plina (600000t ugljena). Energetski troškovi iznosili su 1981. godine 345 ukupnih troškova proizvodnje plina. Udio troškova za komprimirani zrak iznosi 67%. Prosječni godišnji proizvodni parametri Angrenske stanice:

- proizvedeni p l i n 299 mi1 . Nm3 - kalorička vrijednost 2.89 MJ/Nm3 - uplinjeno ugljena 102000 tona - gubici ugljene supstance 25400 tona - dobiveno plina po kg ugljena 2.96 Nm3/kg - dobivena plina po Nm utrošenog zraka 1.17 Nm3/Nm3 - gubici plina od teoretske količine 7.8% - udio plina neadekvatne kvalitete 23.4 mi1 . Nm3

SAD Osnivanjem tri istraživačka centra željelo se izvoditi pokuse u razl ič i t im tipovima ugljena:

-istočni, tanki slojevi, rijetko prelaze debljinu 3.0m, blago su nagnuti, kameni, visoke kalorične vrijednosti

-zapadni, debeli, mrki ugljeni i l igni t i , niske kalorične vrijednosti

PREGLED AMERIČKIH POKUSA PODZEMNOG UPLINJAVANJA SA PROCESNIM PARAMETRIMA

Morgantown Energv Research Center (MERC) bio je orjentiran na istočne ugljene US. Poligon je bio u mjestu Wetzel Countv, u bl izini grada Princetowna. Izvedena su dva opita Princetown 1 i Princetown 2. Značajan je pokus Princetown 2. gdje je projektirana shema širokočelnog uplinjača (Longwall Generator Concept) koja se koristi prirodnim usmjerenim svojstvima ugljenog sloja i dozvoljava slobodnije napredovanje fronte uplinjavanja. Kao i kod klasične rudarske širokočelne metode daje veće iskorištenje resursa. Povezivanje je ostvareno usmjerenim bušenjem. Prednost je u umanjivanju kvantuma bušačkih radova i elastičnom prilagođivanju različitih shema direktnoj kontroli toka postupka i kontroli sloma krovine. Program je obustavljen 1983. godine zbog reduciranja istraživačkih fondova svih fosilnih

43

energetskih programa. Lawrence Livermore Laboratorv (LLL) započeo je sa programom istraživanja 1972. godine. Glavni c i l j istraživanja bio je razvoj komercijalnog "in situ" uplinjavanja, sa proizvodima srednje kalorične vrijednosti pogodnim za preradu u plin za široku potrošnju. Originalni koncept uključivao je upotrebu kemijskih eksploziva za stvaranje lijevka rastresenog ugljena u dubokim i debelim slojevima. Rastresena zona je zatim uplinjena odozgo prema dolje upuhavanjem vodene pare i kisika. Paralelno, projekt je razvijao tehnike povećanja propusnosti ugljenog sloja, što je uključivalo osim frakturiranja kemijskim eksplozivima, reversno izgaranje, i usmjereno bušenje. Na lokaciji Hoe Creek izvedena su tri eksperimenta. U trećem korištena je shema povezanih vertikalnih bušotina. Povezivanje je ostvareno usmjerenim bušotinama promjera 75mm. U l in i j i je izbušeno ukupno pet vertikalnih bušotina i povezano na horizontalnu bušotinu u ugljenom sloju. Paljenje je bilo električno a upuhavan je zrak (oko 4 mola u sekundi ili 5.4 mVmin.). Reversno gorenje se nije propagiralo, ali upuhavanjem zraka obogaćenog sa 31% kisika, nakon dva dana, probijena je veza između bušotina, i l i prosječno 44 m/dan. Krovina se urušila, zbog dizanja zone gorenja u vrh ugljenog sloja, i smanjila se kalorična vrijednost proizvedenog plina. Općenito, povećanje stupnja upuhavanja na 200 mola u sekundi dalo je bolje rezultate. Uplinjena je ukupna količina od 3900 tona, tijekom 47 dana, prosječne kalorične vrijednosti 7.4 MJ/m3. Prosječna potrošnja ugljena bila je 80t/dan i dobiven je pl in prosječno sastava: 37% H2 , 5% CH4 , 11% CO i 44% C02 .

Laramie Energv Center na opitnom mjetu Hanna,Wyoming, izveo je seriju pokusa, sa dvije i l i tri bušotine, u 9.0 m debelom sloju mrkog ugljena, dubine između 50 i 80m. U pokusu Hanna 2. pokazalo se da povećanje stupnja upuhavanja nije imalo utjecaja na sastav i kaloričnu vrijednost plina. Veza između bušotina nije b i la pravolinijska i imala je maksimalno bočno odstupanje od 9 m. Veza je zauzela optimalni položaj u trećem podinskom sloju serije, tako da je svježi ugljen padao u zonu uplinjača, dajući bolje iskorištenje resursa zahvaćanjem cijele serije sloja. U trećoj fazi eksperimenta mijenjan je prateći pritisak i ustanovljeno da smanjenje pritiska povećava pritok vode utječući na smanjenje kalorične vrijednosti proizvedenog p1ina.

Hanna 3. pokus (1977) proučavao je utjecaj na zagađenje podzemne vode pri uplinjavanju ugljenog sloja na dubini 51m. Nije uspjelo održati stalnom kaloričnu vrijednost proizvedenog plina zbog nedovoljnog pritoka podzemne vode. Nedostatak podzemne vode doveo je do povećanja temperature u proizvodnoj bušotini i konačno pada kalorične vrijednosti proizvedenog plina. Upumpavanja vode dala su samo privremena poboljšanja. U Hanna 4. uplinjavan je sloj dubine 100m, pomoću 4 vertikalne bušotine razmak kojih je rastao od 18 do 30 metara. Cilj je bio ispitati veće razmake između bušotina, odrediti zavisnost između količina upuhavanog zraka, razmaka bušotina, širine zone uplinjavanja, te održanja stalne kalorične vrijednosti proizvedenog plina. Energetski proračuni pokazali su da je 66% proizvedene energije sadržano u plinovit im produktima, uz 18% gubitaka plinova u podzemlju i ostatka koji čine toplinski gubici na zagrijavanje plinova i latentne topline vodene pare.

Gulf Resarch and Development Companv i TRW Svstems, Inc. istraživali su uplinjavanje strmih slojeva (>35° ) , neekonomičnih za eksploataciju, na lokaciji Rawlins,Wyoming. Pokusom Rawlins 1. (1979) u toku 30 dana uplinjeno je 980 tona i dobiven plin prosječne kalorične vrijednosti 5.6 MJ/'m3. 80% energije ugljena prešlo je u proizvedeni plin. Ustanovljeno je da se udio čvrste faze u plinovima može kontrolirati mjenjanjem pratećeg pritiska. Viši pritisci smanjuju udjel čvrste faze smanjenjem brzine toka plina.

Rawlins 2. (1981) pokazao je mogućnost uplinjavanja više od 180 tona po danu i uplinjaču, te mogućnost kontrole sastava proizvedenog plina podešavanjem procesnih parametara; omjerom vodene pare i kisika, udjelom kisika i pritiskom. Dobiven je udio metana od 23% (suha osnova). Visokim pritiskom povećava se udio metana (i kalorična vrijednost plina) a smanjuje se količina čvrstih čestica u proizvedenom pl inu što smanjuje troškove za njihovo uklanjanje. Najbolji stupanj iskorištenja 88% dobiven je upuhavanjem zraka kosim bušotinama, izbušenim uzduž ugljenog sloja po padu (u odnosu na 76% za vertikalne odnosno 83% za kombinirano upuhavanje kosim i vertikalnim bušotinama). Tumači se to većim gubicima u vertikalnim bušotinama, tj. pojavi uplinjavanja u karboniziranim šelovima iznad glavnog ugljenog sloja. Povećanjem omjera vodena para/kisik povećava se udio proizvedenog plina po

44

jedinici kisika, glavnog troška postupka. Upuhavanje vodene pare i kisika preferira se u odnosu na zrak, budući se proizvodi plin srednje kalorične vrijednosti, dok se zrakom dobije niskokalorični plin. Upuhavanjem vodene pare i kisika povećava se stupanj reakcije vodene pare i ugljenog ostatka i uklanja efekte otapanja dušika u proizvedenoj smjesi. EUROPA

Nedostatak energije i rezultati eksperimenata u SSSR-u, potakli su istraživanja u Zapadnoj Evropi, nakon II svjetskog rata. Eksperimenti u periodu između 1944. i 1959. godine izvađani su u tankim i p l ić i m ugljenim slojevima. Otvaranje ležišta ostvareno je izradom podzemnih prostorija i l i u kombinaciji sa bušotinama. Pokusi su provođeni u više evropskih zemalja bogatih ugljenim ležištima; Belgiji, Francuskoj (Maroka), V. Britaniji, Italiji, Poljskoj i Čehoslovačkoj. Niske cijene sirove nafte, početkom šezdesetih godina, obustavile su istraživanja.

Nova istraživanja nastavljena su 1974. godine nakon prve naftne krize. Karakterizira ga PUU kamenih ugljena na vel ikim dubinama izradom tehnoloških bušotina sa površine (Francuska, Belgija). Primjenjivane su metode povezivanja hidrauličnim frakturiranjem, reversnim izgaranjem i usmjernim bušenjem. Zapadna Evropa drži primat u razvoju PUU na v e l i k i m dubinama (>800m). Najveće dubine dosegnute pokusima u SSSR-u i SAD nisu pre1azi1e 350m. U ranim eksperimentima kao up l i n javajući agens korišten je zrak, niskog pritiska između 1.2 i 1.5 bar. Dobiven je p1in niskokalorične vrijednosti (max. 2.6 MJ/Nm3), visokog sadržaja CO2 i sa malo CO, što je posljedica male kontaktne površine plina i ugljena čime se e l imin i ra nastupanje Boudouardova reakcija. Iskorištenje ugljenog resursa u najboljim slučajevima nije prelazilo 50%. Zajednički belgijsko-njemački projekt PUU, započet 1978. godine, sa opitnim mjestom kod Thulina (Belgija), prošao je kroz nekolika faza. Glavni cilj projekta je komercijalna demonstracija mogućnosti PUU, u t ip ičnim evropskim ugljenima, za dobivanje plina pogodnog za proizvodnju el. energije, gorivog p l ina i metanola. Pri tome odredit će se tehnički parametra vijeka rada uplinjača, širina zahvaćanja i učinkovitost uplinjavanja za različite postupke PUU. Prikupiti će se "in situ" i laboratorijski podaci za potvrdu valjanosti modela i za projektiranje budućih postupaka. Paralelni laboratorijski i modelski program pružati će vitalne tehničke podatke za projektiranje, rad i interpretaciju pokusa. U periodu između 1982. i 1984. godine, u sloju kamenog ugljena debljine 1.5m, na dubini 860m, u nekoliko navrata pokušano je povezivanje vertikalnih tehnoloških bušotina reversnim izgaranjem. Bitno drugačije ponašanja ugljena na ve l ik im dubinama u odnosu na plića ležišta onemogućilo je te pokušaje. Veliki litostatski pritisak, zbija ugljen znatno mu smanjujući propusnost. Izostaje pojava granjanja fronte gorenja karakteristična za plića ležišta i odgovorna za uspješnost povezivanja. Uokolo injekcione bušotine stvara se široka zona destiliranog ugljena povećane propusnosti. Nakon neuspjeha reversnog povezivanja, povezivanje je 1986. godine izvedeno usmjerenim bušenjem (φ0. lm) kratkog radijusa (<12m). Visokim stupnjem ubrizgavanja kisika i vode i visokim injekcionim pritiscima (190-270 bara) u nekoliko perioda uplinjavanja dobiven je plin visoke kalorične vrijednosti 7.1-11.0 MJ/Nm5. Dobiveni plin sadržavao je veliki postotak metana (17.0-25.5%). Proizvodnja p l ina iznosila je 92-177 Nm3 /h. Ukupno je up1injavanjem zahvaćeno 8638 tona ug1jena od čega je 3835 tona uplinjeno, što daje iskorištenje od 44.4%. Međutim učinkovitost pretvorbe uplinjenog ugljena u pl inovito gorivo (ili stupanj korisnog djelovanja) iznosila je 44.8%. To znači da je od ukupne energetske vrijednosti ug1jena koji je zahvaćen postupkom uplinjavanja pretvoreno u kemijsku energiju gorivog plina 19.9%. 55.6% energije ugljena ostalo je neiskorišteno u ležištu a ostatak od 24.5% predstavlja gubitke topline u okoliš i gubitke u osjetnoj toplini proizvedenog p1ina . Treba napomenuti da dio gorivog plina potječe iz pirolize ugljena koji je zahvaćen ali nije uplinjen. Stoga je stvarna učinkovitost pretvorbe ugljen/gorivi plin manja od 44.8%. Pozitivni rezultati eksperimenta u Thulinu:

- upotreba visokog injekcijskog pritiska (273 bara) i dobivanje plina sa visokim

45

sadržajem metana, na kaloričnu vrijednost kojeg ne utječe smanjenje temperature up1injavanja - upotreba uplinjavajućih agenasa kisika i pjenovite vode i mogućnost njihova komprimiranja visokim pritiscima sa jednostavnom opremom. - stvaranje fi1trirajuće zone ugljenog ostatka između zone uplinjavanja i proizvodne bušotine potiče 1 at e r a1no š i r en j e up1 i njača i sp r ečava d i re k t ni prolaz kisika prema proizvodnoj bušotini čime se onemogućuje izgaranje proizvedenog plina.

Glavne jedinice površinskog postrojenja za proizvodnju električne energije

46

Ekonomska procjena za duboka ležišta od strane Evropske radne grupe iskazuje da bušenje i opremanje bušotina , te vođenje procesa uplinjavanja imaju znatno veće učešće u ukupnim troškovima nego površinske instalacije. Operacije za održanje bušotine u sloju vjerojatno će rezultirati većom cijenom po metru bušenja nego za odgavarujuće bušenje na naftu. Ponavljanje bušaćih operacija smanjuje troškove bušenja, radi manjih mobi1izirajućih troškova, poznavanja slojeva i stručnosti stečene ispitivanjima i snimanjima. Najpovoljnija primjena proizvedenog pl ina je prema ekonomskoj procjeni u proizvodnji električne energije. Predviđen je kapacitet elektrane od 300MW uz investicijska ulaganja od 196 mi1iona ECU. Proizvodnja električne energije postaje konkurentna na dubini od 1000 m, širini uplinjača 30m i više, uz faktor geometrijske pretvorbe 0.75 (Sl.4.23.). Područje od 0.04 do

Trošak proizvodnje el. energije zavisno o širini uplinjača i geometrijskom faktoru pretvorbe (A)

47

0.07 ECU/kWh je u rangu troškova većine evropskih termoelektrana na ugljen ili se takva cijena planira unutar narednih 20-30 godina.

REZIME PUU

Cilj podzemnog uplinjavanja je pridobivanje termičke energije ugljena u formi gorivih plinova. Znanosti uključene u tehnologiju su geologija, fizikalna kemija, mehanika fluida, hidrologija, mehanika stijena i geofizika. Projektiranje uključuje izgradnju podzemnog uplinjača, pripremu učinkovite mreže uplinjavanja, kvalitativnu i kvantitativnu kontrolu i upravljanje procesom i korištenje proizvedenog plina.

PUU daje brojne ekonomske i socijalne prednosti, principjelno slijedeće: - izbjegavanje teškog, opasnog i često nezdravog podzemnog rada - ekonomičan rad toplinskih elektroenergetskih postrojenja izgrađenih na području

podzemne proizvodnje plinova. - zahvačanje dubokih ili tankih slojeve koji se nemogu ekonomično pridobiti

konvencionalnim metodama rudarenja - proširenje energetske baze nekog područja i ekonomije zemlje u cjelini pretvaranjem

nerentabi1nih resursa u energetske rezerve - mogućnost punog automatiziranja nekih sadašnjih rudarskih pogona a gdje se nemože

uvesti kompleksna mehanizacija i automatizacija - povećanje produktivnosti rada po jedinici dobivenog goriva (energije) - smanjenje kapitalnih investicija po jedinici energije goriva proizvedenog iz ugljena - smanjenje zagađenja okoline

U odnosu na jamsko otkopavanje podzemno uplinjavanje ima slijedeće prednosti: - u složenim konfiguracijama ležišta, - kod naglih promjena moćnosti ugljenog sloja na relativno manjim odstojanjima, - kod pojave rasjeda i drugih geoloških deformacija, - kod slojeva ugljena složenih po građi. Eksploatacija ležišta složene građe

zahtjeva selektivno otkopavanje Nedostaci postupka PUU su:

- niska iskoristivost resursa, - niska kalorična vrijednost proizvedenog plina i - visoko energetski intenzivna tehnologija. - na današnjem stupnju razvoja nije ekonomična.

Postizanje ekonomskih i socijalnih ciljeva upućuje na projektiranje sistema koji bi postigao najveću moguću termokemijsku učinkovitost, minimizirao gubitke ugljene supstance i plina, davao p l i n željene kvalitete i količine i spriječio devastaciju površine i zagađenje okoliša. Najteži problem je kontrola i automatizacija postupka. Za njegovo rješenje potrebno je pronaći metode za mjerenje podataka temperatue i pozicije fronte gorenja, razviti metodu regulacije kvalitete i količine proizvedenog plina i odrediti kemijske i fizičke promjene ugljena i pratećih naslaga u određenim geološkim i hidrološkim prilikama pojedinih lokacija. Međutim ukoliko nekoj regiji nedostaje sirove nafte i prirodnog plina a posjeduje obilje rezervi ugljena izgledno je razmotriti lokalnu primjenu PUU. Iskorištenje ugljena u termoelektranama je u najboljem slučaju 40-45%, najčešće 12 da 25%. Mnoga energije troši se za proizvodnju, pripremu i transport. I s k u s t v a P U U p o k a z u j u d a se od uplinjenog ugljena, gubi na zagrijavanje stijenske mase i podzemne vode 15 do 35%. Preostala energija odvodi se na površinu vodenom parom i sa gorivim i negorivim plinovima. To upućuje na postizanje maksimalno mogućeg iskorištenja:

- podzemnog gorenja ugljena - osjetne topline vodene pare i plinova - kemijske energije gorivih plinova - svih produkata podzemnog gorenja ugljena dopremljenih na površinu